Усилитель d класса схема: Усилитель класса D

Содержание

Усилитель класса D | Микросхема

Как ни странно, но усилители D класса были разработаны ещё в 1958 году. Хотя, если упоминание про нанотехнологии относить к 1959 году, то нисколько не странно (прим. AndReas). И вообще середина прошлого столетия была богата научными разработками, которыми мы лишь сейчас начинаем использовать, а нового, на мой взгляд, практически ничего не предлагается. В полной мере сказанное относится и к усилителям класса D, которые завоевали особую популярность именно в начале 21 века.

Преимущества усилителей D класса

Вообще каждому классу усилителей звуковой частоты присущи свои достоинства и недостатки (подробнее о классах усилителей), определяющие диапазоны их применения. Для D класса неоспоримыми плюсами являются низкая мощность рассеяния и тепловыделение, малые размеры (на фото размер готового устройства на 400 ватт сопоставим с размером батарейки) и стоимость, продолжительное время работы в автономных устройствах (при автономном питании линейный выходной каскад опустошит батарею гораздо быстрее, чем усилитель класса D).

Ключи выходного каскада такого усилителя коммутируют выход с отрицательной и положительной шиной питания, создавая тем самым серии положительных и отрицательных импульсов. Теоретический КПД усилителей класса D равен 100%. То есть, все питание подается на нагрузку. Но, конечно же, на практике MOSFET (МОП-транзисторы) не являются идеальными переключателями и обладают сопротивлением. Соответственно, на них тратится часть энергии. Но все же КПД усилителей звуковой частоты D класса выше 90%. По сравнению с коэффициентом полезного действия максимум 78% для УНЧ B класса, являющимся самым производительным из линейных, показатель >90% это весомый аргумент экономичности класса D.

Цифровой или все-таки импульсный?!

Часто подобные усилители называют цифровыми. Этот термин прочно за ними закрепился, однако название цифровой усилитель некорректно. Работа УНЧ класса D основана на широтно-импульсной модуляции (PWM). Следовательно правильнее их называть импульсными усилителями. Почему же их называют цифровыми? Все очень просто. Принцип работы усилителя схож с принципом работы цифровой логики. Как вы знаете, в цифровой технике и электронике применяется двоичная система счисления. А иначе можно сказать «есть» и «нет» или «истина» и «ложь» или «1» и «0» или 5 вольт и 0 вольт. Примерно также работает и усилитель класса D, что связано с применением в выходном каскаде МОП-транзисторов. В последние годы все более упоминаемым является класс T. В коммерческих целях он выделен в отдельную линейку усилителей. Но, по сути, он является дальнейшей реализацией класса D.

Кратко о принципе работы усилителя

Существует полумостовая топология включения и мостовая. Ниже на рисунках приведена их реализация на практике.

Как можно увидеть по полумостовой схеме включения, в каждый момент времени должен быть открыт только один транзистор. Если откроются оба, то произойдет короткое замыкание, сила тока резко увеличится, что приведет к выходу из строя выходные МОП-транзисторы. В момент открытия один из транзисторов усиливает положительную составляющую напряжения, другой – отрицательную относительно нулевого проводника. Но существует период времени, названный «мертвым», когда оба ключа закрыты. Так вот это время должно быть в пределах 5…100 нс. В конечном счете, оно влияет на все характеристики готового усилителя: и качественные, и мощностные.

Если вы хотите получить качественный звук, то «мертвое время» должно быть наименьшим. Но при этом увеличивается вероятность короткого замыкания (как говорилось выше). Поскольку МОП-транзисторы могут не успеть переключиться. Поэтому при выборе радиодеталей для усилителей класса D нужно выбирать высокоскоростные компоненты.

Ключевые рекомендации

При выборе мощных полевых транзисторов нужно отдавать предпочтение МОПам с низким сопротивлением канала и низким уровнем заряда затвора. Наиболее удачным решением для этого служат транзисторы серии IRFI4024x-117P в изолированных 5-выводных корпусах TO-220 FullPak компании International Rectifier.

Во многом идеальная форма тока нагрузки зависит от ШИМ-компаратора. Вот лишь некоторые ШИМ-контроллеры:

Одной из последних разработок компараторов такого класса стал ШИМ-контроллер IRS20955S. Применение IRS20955S исключает из схемы до 27 внешних компонентов. Встроенный генератор «мертвого времени» устанавливает точное значение данного параметра для обеспечения максимального уровня качественных параметров усилителя D класса, а именно, низкий коэффициент гармонических искажений и шум, а также высокая устойчивость к помехам. Задержка на переключение МОП-транзисторов может устанавливаться в 15, 25, 35, 45 нс. IRS20955S работает на частотах до 800 кГц и может применяться не только в полумостовых схемах с двухполярным питанием, но и в мостовых схемах с однополярным. Совместно с транзисторами серии IRFI4024x-117P можно вдвое уменьшить общий размер печатной платы для усилителя мощности до 500 ватт.

При проектировании печатной платы для усилителей мощности класса D нужно обязательно придерживаться схемотехнических способов конструирования высокочастотных устройств. Располагать дорожки на печатной плате нужно только в одном направлении, а не в хаотичном порядке. Это поможет избежать появления ВЧ составляющей. Минусовые дорожки нуждаются в устранении наводок с силовых линий путем установки керамических конденсаторов емкостью 1 нФ и 10 нФ.

Практическая часть: схема усилителя класса D

В заключение теоретической части нашего обзора хотелось бы отметить, что все классы усилителей имеют достоинства и недостатки. Где-то оправдано применение одних и совершенно нерационально применение других. Некоторые радиолюбители при конструировании усилителей мощности звуковой частоты отдают предпочтение одному-двум классам и совершенно не приемлют остальные. Другие же, являясь универсалами, пробуют свои силы в большинстве классов усилителей, выбирая лучшие конструкции. Мы же советуем обратить внимание на D-класс. Их сборка не так и сложна, как может показаться.

Если вас, уважаемые радиолюбители, заинтересовала затронутая тема, можете высказываться, делиться идеями, и мы в дальнейшем ещё не раз вернемся к рассмотрению подобных самых популярных схем усилителей. Из ранее опубликованного можем посоветовать усилители D класса на 300, 900 и 1200 Вт от Алексея Королькова. А сейчас хотим представить простую полумостовую схему усилителя D класса с выходной мощностью 120 ватт.

КПД усилителя составляет 96% при нагрузке на динамик импедансом 4 Ом. В качестве ШИМ-контроллера применяется IRS20955S. На выходе стоят мощные МОП-транзисторы IRFI4212-117P, разработанные специально для D класса. Точнее, это сборка из двух MOSFET, соединенных по полумостовой схеме. КНИ при полной мощности составляет 1%; при 60 Вт – 0,05%. Диапазон воспроизводимых частот от 20 Гц до 35 кГц. Питается усилитель от двуполярного источника напряжением +/-40 вольт. Все номиналы радиодеталей указаны на схеме.

Обсуждайте в социальных сетях и микроблогах

Метки: УНЧ

Радиолюбителей интересуют электрические схемы:

УНЧ 900 Вт — Класс D
Ламповый усилитель

Делаем усилитель низкой частоты класса «D». Часть1 | Электроника — это не просто!…

В сетях много информации на тему усилителей класса D. В основном, по готовым конструкциям или по схемам, взятым из сторонних источников, часто без каких-либо комментариев и с ошибками.

Однако, достаточно и весьма приличной информации по этим усилителям, например, здесь: «Усилитель класса D»

Мы разберемся с несколькими усилителями класса «D», используя инструментарий MULTISIM, позволяющий детально разобраться с их особенностями. Затем, познакомимся с характеристиками усилителей «в железе».

«УМД-500» Усилитель довольно простой. Он легко анализируется, собирается и имеет приличные характеристики. Состоит из 1…3 отдельных каналов, рис.1:

Рис.1.Схема отдельного канала усилителя «УМД-500»

Схема выполнена по полумостовой схеме и реализована на основе классического ШИМ-контроллера TL494, драйвера IR2104, а также двух MOSFET транзисторов IRFZ44N.

Рис.2.Отдельный канал усилителя «УМД-500», модель для MULTISIM

Модельная схема подготовлена для анализа с применением MULTISIM-14. Можете скачать её на сайте www.radio-a.ru, в описании «УМД-500» усилители мощностью до 500 Вт, файл «UMD500_1.zip».

Модельная схема несколько упрощена и в неё добавлены некоторые вспомогательные элементы, для нормальной работы симулятора. Необходимые элементы (например, выходной LC-фильтр) добавим, когда будем рассматривать соответствующие цепи. В практической схеме все необходимые элементы имеются.

Комплектующие для усилителя выбраны известные, доступные, имеющие модели в MULTISIM. Можете заменить их на свои варианты.

Хорошее описание ШИМ-контроллера TL494 и особенностей его применения найдёте на странице сайта www.radio-a.ru в колонке «КОМПЛЕКТУЮЩИЕ» (левая колонка страницы, строчка внизу).

Параметры драйвера IR2104, транзисторов IRFZ44N и прочих элементов найдёте на просторах интернета.

Усилитель может отдать в нагрузку мощность до 500 Вт. Полоса частот от 20 до 12000 Гц. Сопротивление нагрузки от 1 Ома и более.

Проверку работы усилителя начнём с ШИМ-контроллера, а затем сделаем для силовой части.

Проверяем работу ШИМ-контроллера

Выбираем из модельной схемы «UMD500_1.zip» часть с ШИМ-контроллером:

Рис.3.Часть схемы с ШИМ-контроллером

Для проверки делаем следующее:

резистор R6 заменяем на два отдельных, R61 и R62, подключенных к раздельным выходам ШИМ-контроллера c целью проверки генерации парафазных сигналов;
с этой же целью вводим переключатель S1 и подключаем к нему вход «OTC» ШИМ-контроллера;
«подключаем» «измерительные приборы»: вольтметр XMM1, генератор XFG1, частотомер XFC1 и др.

Получившуюся модельную схему для проверки ШИМ-контроллера можете скачать там же: файл «UMD500_2.zip».

Сигнальные цепи для «приёма» усиливаемого сигнала, построены с использованием усилителя ошибки ШИМ-контроллера, генератора пилообразного напряжения и выходных повторителей:

Рис.4.ОСновные цепи ШИМ-контроллера

На усилитель DA3, его «положительный» вход, подаётся усиливаемый сигнал и напряжение для смещения рабочей точки по постоянному току. «Отрицательный» вход DA3 замкнут в цепь его обратной связи. Для смещения используется опорное напряжение на выводе «U опорное» (к.14) контроллера, а уровень смещения задаётся делителем R2, R3. Второй усилитель DA4 не используется и заблокирован.

Генератор пилообразного напряжения реализуется с помощью DA6 и внешних времязадающих RC элементов, присоединённых к входам 5 и 6 ШИМ-контроллера.

К выходам 9 и 10 ШИМ-контроллера присоединены нагрузочные резисторы R61 и R62, на которые подаются ШИМ-импульсы. В зависимости от положения переключателя S1 (рис.3), по очереди или одновременно.

Так как в усилителе «УМД-500» применяется силовая часть, построенная по «полумостовой» схеме, то от ШИМ-контроллера требуется только один выходной сигнал и контроллер переведён в соответствующий режим, а выходные цепи объединены с целью повышения нагрузочной способности (R61 и R62 объединены в резистор R6, рис.1).

Используя модельную схему UMD500_2, можно определить параметры усилителя:

динамический диапазон ШИМ-контроллера;
чувствительность ШИМ-контроллера;
полосу рабочих частот ШИМ-контроллера;
величину нелинейных искажений ШИМ-контроллера;
максимальную частоту ГПН ШИМ-контроллера

и некоторые другие параметры. Параметры ШИМ-контроллера являются определяющими для усилителя.

Определяем динамический диапазон ШИМ-контроллера

Схема для измерения динамического диапазона:

Рис.5.Схема для измерения динамического диапазона

Из модельной схемы UMD500_2 убраны все лишние элементы, в сигнальную цепь ШИМ-контроллера добавлены управляемый источник напряжения V1, соединенный последовательно с генератором сигналов XFG1.

Измерения производим для:

— статического режима, при «выключенном» генераторе XFG1 («Amplitude=0») и регулируемом V1;

— сигнального режима, при включенных XFG1 и V1, с выбранными значениями сигнала на частоте 1000 Гц и напряжения смещения.

Частота ГПН ~ 250 кГц. Параметры сигналов ШИМ-контроллера измеряются осциллографом XSC1 и измерителем длительности импульсов XFC2.

t имп — длительность импульса на выходе ШИМ-контроллера,

t паузы — длительность паузы между импульсами.

Результаты измерений приведены в Табл.1 и на графике, рис.6:

Табл.1. Результаты измерений динамического диапазона

График:

Рис.6.График измерений динамического диапазона

Из результатов измерений видно, что зона достаточной линейности динамического диапазона находится в интервале входных напряжений от 0.8 до 3.6 В. Среднее значение 2.2 В. Максимальное амплитудное значение входного напряжения 3.6 — 2.2 = 1.4 В.

Динамический диапазон входной цепи контроллера можно определить ещё одним способом. Усиливаемый сигнал подается на усилитель DA3. Выходная цепь этого усилителя выведена на контакт 3 «Обратная связь», рис.7. «Подключаем» к нему осциллограф и видим, что в режиме усиления, сигнал должен быть в диапазоне от нуля до напряжения, при котором открывается DA2, примерно 2.5В. Смещение по положительному входу DA3 обеспечивает симметрирование усиливаемого сигнала относительно динамического диапазона выходной цепи DA3.

Рис.7. Измерение динамического диапазона вторым способом

Проверяем качество преобразования ШИМ-контроллера

К выходной цепи ШИМ-контроллера подключаем интегрирующее RC-звено (R100, C100) для преобразования импульсного ШИМ-сигнала в линейный, рис.8.

Выставляем на источнике V1 смещение, равное 2.2 В (среднее значение входного напряжения). Подаем с генератора XFG1 сигнал частотой 1000 Гц, амплитудой 1.4 В.

Рис.8.Схема для оценки качества преобразования

Сравниваем сигналы на входе и выходе ШИМ-контроллера:

Рис.9.Сигналы на входе и в выходной цепи ШИМ-контроллера.

Сигналы сопоставимы, следовательно, качество преобразования достаточное. Количественную оценку нелинейных искажений сейчас выполнять не будем.

При выходе за динамический диапазон, наблюдаются обычные ограничения формы сигнала «сверху» и «снизу».

Чувствительность ШИМ-контроллера определим, как напряжение усиливаемого сигнала, соответствующее максимальному уровню неискажённого сигнала на выходе, на частоте 1000 Гц. Из двух предыдущих проверок, чувствительность составляет 1.4 В.

Чувствительность входной цепи ШИМ-контроллера можно увеличить или уменьшить, меняя коэффициент усиления усилителя DA3. Для этого в цепь обратной связи DA3 включаем элементы R5, R6 и C4, рис.10, как для обычного операционного усилителя. Смещение по положительному входу DA3 необходимо подкорректировать.

Рис.10.Цепь ОС входного усилителя

Например, можно получить чувствительность в 50 мВ, которой достаточно для работы с обычным микрофоном.

Проверяем АЧХ ШИМ-контроллера

Для измерений используем предыдущую схему. Изменяем частоту входного сигнала, измеряем амплитуду сигнала в выходной цепи (на RC-интеграторе).

Собственная частота среза RC-интегратора (100 кГц) находится значительно выше частотного диапазона усилителя и измерениям не мешает.

Результаты измерений приведены в Табл.2 и на графике, рис.11:

Табл.2. Результаты измерений АЧХРис.11. График АЧХ

По результатам «измерений» видим, что полоса частот ШИМ-контроллера от 0 до 11 кГц.

Нижняя граница полосы fн равна нулю, так как в цепях нет разделительных конденсаторов.

Верхняя граница полосы fв определяется собственными скоростными характеристиками ШИМ-контроллера . Они и будут определять полосу частот усилителя в целом.

Далее разберёмся с выходными цепями ШИМ-контроллера TL494.

Параметры:

-Напряжение питания до 42 В.

-Напряжение на коллекторе выходного транзистора до 42 В.

-Ток коллектора выходного транзистора до 500 мА.

-Рассеиваемая мощность (при t< 45 °C) до 1000 мВт.

С такими параметрами можно сделать простейший усилитель класса «D», работающий на нагрузку в 8 Ом. Например, по схеме Рис.12

Рис.12.Простейший усилитель класса D на TL494

Мощность такого усилителя около 5 Вт, что весьма неплохо. При применении ключевых усилителей в выходных цепях, легко увеличить мощность усилителя в разы. Можете поэкспериментировать с этим усилителем.

Максимальная частота ГПН ШИМ-контроллера TL494 составляет ~ 500 кГц. Она практически не применяется. Типовая частота обычно берется в диапазоне от 100 до 250 кГц.

Применение ШИМ-контроллера

Применяется, как правило, в составе мощных импульсных усилителей или преобразователей электрической энергии, однако, возможно применение в виде самостоятельного маломощного усилителя и преобразователя.

Силовую часть усилителя исследуем во второй и последующих частях публикации.

Желающие поэкспериментировать, могут скачать модельную схему и получить ответы на свои вопросы.

Всем привет!

Есть вопросы — задавайте.

Приглашаю посетить наш сайт: «Практическая электроника».

Транзисторный УНЧ класса D с выходной мощностью 60Ватт

На рисунке показана схема импульсного усилителя. Для его питания требуется отдельный двухполярный источник питания на 51 В. К этому источнику подключена пара стабилитронов D5 и D6, напряжение на которых дополнительно фильтруется конденсаторами С11 и С12 и обеспечивает напряжение 12 В для низковольтной части схемы. Основная часть мощности источника питания 51В идет на высоковольтную часть схемы — собственно усилитель мощности. Сигналы правого и левого каналов подаются на усилитель через входные разъемы (соответственно J1 и J2). Два операционных усилителя из микросхемы TL074, обозначенные 1С 1-е и ICl-d, генерируют треугольный опорный сигнал с двойной амплитудой 4 В и частотой 50 кГц. С выхода этого генератора опорный сигнал подается на потенциометр R19, позволяющий использовать усилитель с входными сигналами, максимальный размах которых может быть в пределах от 1 до 4 В двойной амплитуды. Два других операционных усилителя, ICl-а и 1С1-Ь, работают в режиме компараторов: на их выходах получаются сигналы с широтно-импульсной модуляцией, которые и поступают на входы левого и правого каналов усилителя. В правом канале усилителя напряжение сигнала с выхода компаратора (через ограничивающий ток резистор R5) поступает на схему сдвига уровня, собранную на биполярных транзисторах.

Схема сдвига уровня имеет положительное и отрицательное плечо. Транзистор Q1, диод D1 и резистор R7 образуют положительное плечо, а транзистор Q3, диод D3 и резистор R11 — отрицательное. Оба плеча соединены с общим проводом через эмиттеры Q1 и Q3, причем потенциал общего провода является для схемы опорным. Такая схема сдвига уровня позволяет получить напряжение 17 В на цепи, образованной транзисторами Ql, Q.3 и стабилитронами D1 и D3. Достаточно большой ток, текущий в этой цепи, позволяет быстро перезаряжать паразитные емкости затворов мощного МОП транзистора, что обеспечивает быстрое включение и выключение транзисторов двухтактного выходного каскада, собранного на транзисторах Q5 и Q7. Резистор R3 предназначен для удержания среднего значения напряжения выходного сигнала около потенциала средней точки источника питания.

Без этого резистора среднее значение выходного сигнала прямоугольной формы стремится к некоторому отрицательному потенциалу. RC-цепь, состоящая из соединенных последовательно резистора R9 и конденсатора С5, соединяет затворы п-каналь-ного и р-канального МОП транзисторов и позволяет свести к минимуму коммутационные шумы, а также обостряет фронты выходного прямоугольного сигнала. Необходимо отметить, что в обоих каналах в цепях питания включены элементы, предназначенные для деления однополярного напряжения питания пополам. Конденсаторы C3, С4, С7 и С8 образуют последовательно-параллель-ную цепь, которая преобразует однополярное напряжение питания 51 В в два раз-нополярных напряжения 25,5 В. На выход усилителя можно подключать широкополосные громкоговорители или колонки мощностью до 60 Втэфф, которые демодулируют широтно-импульсный сигнал и формируют усиленные звуковые колебания. (При пиковой выходной мощности на комплексной нагрузке 8 Ом ток потребления усилителя будет примерно 1,2 А при напряжении питания 51 В.)

Аналоги зарубежных деталей можно найти в разделе Аналоги и возможные замены.
Граф Р., Шиитс В. — Энциклопедия электронных схем (7).

Мощный УНЧ D класса

В последнее время у радиолюбителей растет интерес к усилителям повышенной мощности. Как правило традиционные усилители класса АВ не позволяют соорудить УНЧ с мощностью выше 500-600 ватт, ведь когда мощность усилителя нужна выше указанной, то резко увеличивается количество комплектующих компонентов и выходных пар транзисторов — это делает схему очень сложной, дорогой и в добавок — трудная настройка схемы. Тут на помощь идут усилители класса D.

Данный усилитель класса D построен на специализированном драйвере серии IRS20955S. На основе данного драйвера можно создать УНЧ с высоким КПД и весьма хорошим звуком и очень малыми гармоническими искажениями. Итак, давайте рассмотрим основные параметры усилителя.

Выходная мощность 130 ВТ при THD 1%
Частотный диапазон: 18Гц -35кГц
THD 0,04% на 1кГц
КПД до 95%

Из этого можно сделать вывод, что данный усилитель не обладает столь высокой мощностью, которые мы рассматривали в наших предыдущих статьях, но давайте не забудем, что это класс D, тут минимальные тепловые потери, если сравнить с классом АВ, где на тепло уходит ровно половина начального питания, ведь КПД у этого класса не более 55%. Благодаря высокому КПД резко уменьшаются размеры усилителя, а теплоотводы кажутся просто игрушечными.

В схеме тоже все достаточно просто, оконечник построен на паре мощных полевых транзисторов прямой проводимости, стабилитроны можно ставить любые на 15 вольт, особо углубляться в работу схемы не буду. Питается усилитель от двухполярного источника, напряжение на плечо 40 вольт. АD825 -высококачественный операционный усилитель, от него сигнал поступает на компаратор LM311, затем уже на драйвер, выходной сигнал драйвера усиливается каскадом полевых транзисторов. В дальнейшем мы продолжим рассматривать конструкции мощных усилителей данного класса.

Понравилась схема — лайкни!

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ УНЧ

Смотреть ещё схемы усилителей

УСИЛИТЕЛИ НА ЛАМПАХ УСИЛИТЕЛИ НА ТРАНЗИСТОРАХ

УСИЛИТЕЛИ НА МИКРОСХЕМАХ СТАТЬИ ОБ УСИЛИТЕЛЯХ

Усилитель класса D 100 Вт « схемопедия

Интерес к усилителям мощности (УМ) класса D появился после разработки первых Импульсных Источников Питания. Стояла задача собрать простой и экономичный УМ. Тема эта не имела своего развития, пока на глаза не попался патент, на то время ведущего инженера-разработчика фирмы Филипс, Бруно Путзейса [1]. Одновременно прочитал статью Сергея Кузнецова [2] на ту же тему. Много информации и ценных советов получены на vegalab.ru, в теме «класс Д для саба» [3]. Естественно, выбранная конструкция не претендует на законченность или выдающиеся параметры, так-так является на 100% любительской. Но с уверенностью можно утверждать, что конструкция является проверенной и повторяемой, не требует изготовления многослойной ПП. Во время проектирование главным критерием была как раз повторяемость, малая номенклатура использованных запчастей, их доступность, и возможность сборки в любых домашних условиях. В отличие от многих подобных схем использованы smd резисторы и конденсаторы одного типоразмера – 1206 и 0805 соответственно, а все комплектующие доступны для заказа через интернет.

Кроме того, после сборки предыдущих версий УМ была осознана острая необходимость включения в схему узла защиты от КЗ, так как кратковременное замыкание, или другое нештатное событие выводит из строя выходные ключи и, часто, микросхему драйвер, которые как раз и составляют львиную долю стоимости УМ.

Схему на дискретных элементах была отброшена из-за необходимости настройки каждого экземпляра устройства и склонности к нежелательным самовозбуждениям. Аналогичная схема на ИМС настройки не требуют и не столь критична к замене типов транзисторов и смене напряжения питания.

Рис.1. Блок-схема УМ класса Д

На микросхеме IC1 собран входной балансный усилитель напряжения. Такая схема выбрана в связи с необходимостью взаимокомпенсации влияния наводок. Коэффициент усиления плеч задается соотношением резисторов R2R5 R7R5, и при использование указанных номиналов составляет примерно 16дБ (6 раз). На элементах С2R2R4C4 и C1R1R3C3 сформирована АЧХ сигнала, поступающего на ОУ и развязка по постоянному току. Симметричные сигналы с выходов 1 и 7 IC1, через резисторы R8, R9 поступают на входы компаратора IC2 LM311, куда поступает сигнал обратной связи, через патентованную цепь ОС из [1]. IC2, VT3-VT5, IC3, VT8,VT9 и другие элементы объединяются в усилитель класса «Д», коэффициент усиления которого в звуковом диапазоне частот равен отношению R8, R9 к R15, R16 соответственно, для сохранения баланса R8 должен быть равен R9, а R15 – равен R16. Кроме того, как указано в [1] коэффициент усиления 13дБ (4,5 раза) является оптимальным для такого устройства.

Рис.2. Принципиальная схема УМ класса Д

Так-так драйвер IR2110 IC3 имеет раздельные входы управления верхним и нижним плечом, сигнал с вывода компаратора, который, по сути, является ШИМ модулированным звуковым сигналом, поступает на инвертор VT3, VT5, включенных по схеме дифференциального каскада. На VT4VD3 собран источник тока 1,2мА для обеспечения его работы. Ток задается равенством падения напряжения на составном сопротивлении R22, R23 и стабилитрона VD4. Для облегчения режима работы VT4 в цепи эмиттера включен дополнительный гасящий резистор R20. Кроме инвертирования сигнала VT3, VT4 выполняют еще одну важную функцию – функцию «левелшифтера». Так-так вывод Vss (сигнальная земля) микросхемы драйвера подключен к отрицательному выводу питания, необходимо «привести» сигнал ШИМ IC2 относительно земли устройства к уровню относительно «–Vcc». Номиналы резисторов R21, R24 выбраны таким образом, чтобы напряжение управления на входах IC3 не превышало ≈ 6В (1,2мА*4,7кОм). Микросхема IC3 включена по стандартной схеме. [4].

Во избежание сквозного тока через транзисторы VT8, VT9 в зарядной цепи установлены ассиметричные схемы ограничивающие ток заряда емкости затворов VD7R36, VD8R37. Время переключения можно рассчитать, пользуясь [5]. В данном устройстве применены полевые транзисторы (ПТ) IRF 540Z как доступные, не дорогие и приемлемые по параметрам. При применение в устройстве стабилитронов на 12В напряжение управлення на затворах ПТ будет составлять 12В-1,5В=10,5В (так-так транзистор VT7 составной). При R36=R37<10 Ом начинается разогрев выходных транзисторов, потому использованы резисторы 15 Ом. В этом случае время переключения, согласно [5] будет равно 42нК/(10,5В/15Ом)=60нС (при 10 Ом 40нС) Для примера, при напряжении питания IC3 равному 13В, из-за увеличения полного заряда затвора, время переключения в той же схеме будет 54нК/(13В/15Ом)=62,3нС. Отсюда средняя мощность запуска на частоте 300кГц будет равна 42нК*10,5В*300кГц=132мВт, тогда как при напряжении 13В – 54нК*13В*300кГц=210мВт. При этом, средний ток переключения, будет в первом случае 0,132Вт/10,5В=0,0125А, а во втором 0,21Вт/13В=0,0161А. Согласно документации на микросхемы IC3,IC4,IC5 можно определить суммарный ток потребления источника питания на VT7. Он составит 0,125ic3+0,0015ic4+0,01Аic5+0,0125Aig=0,149А. Соответственно, при напряжении питания УМ +/-30В на транзисторе VT7 выделится (30В-10,5В)*0,149А=2,9Вт, при напряжении питания драйвера 13В, упуская подсчет выделится 0,2416А*17В=4,1Вт. (Данные взяты из графиков потребления токов от напряжений питания микросхем). Обобщая вышесказанное, можно отметить, что только правильным выбором напряжения питания драйвера можно при построении 100Вт УМ повысить КПД устройства на 1-2%!

Первоначально схема защиты была устроена на датчике тока, который включался в цепь стока одного из транзисторов. Таким образом, при превышении тока через датчик вырабатывался сигнал на отключение устройства. Но для контроля тока в десятки ампер сопротивление и мощность резистора датчика тока, а также занимаемое им место на ПП становиться неприемлемыми. Лучшим решением есть «считывание» падения напряжения с самого перехода ПТ, в то время, когда он открыт, тем более, что такая схема легко реализуется. Так, в период времени, когда VT9 открыт, точка соединения ПТ-ов через переход сток/исток нижнего транзистора соединяется с отрицательным входом питания. Напряжение в этой точке равняется –Vcc+Ik*Rdson. Так, при токе в 15А через ключ, на истоке будет напряжение, которое больше –Vcc на 15А*0,027 Ом=0,405В. Для развязки от напряжения +Vcc использован быстрый диод VD6. Напряжение «+10,5В» c затвора ПТ подается через ограничивающий резистор R40 на VD6, в таком случае, напряжение в точке соединения R40 и VD6 составит сумму падения напряжения на переходе VD6 плюс напряжения падения на ПТ. То есть, при токе в 15А будет составлять около 0,4В+0,4В=0,8В. Для сглаживания пульсаций этого напряжения использован конденсатор С22, а для его разрядки R36. Далее напряжение с датчика тока сравнивается с опорным, которое формируется с помощью делителя напряжения R34R32. Причем опорное напряжение можно подстраиваться помощью подстроечного R32. В том случае, если напряжение с датчика больше, чем опорное – выходной транзистор микросхемы IC5 с открытым коллектором закрывается. На выходе 1,7 IC5 благодаря R35 появляется напряжение +12В, открывается транзистор VT9, который в свою очередь быстро разряжает емкость С26 и запускает таймер NE555 IC4, на его выходе 3 устанавливается логический уровень «1» – напряжение 10,5В относительно –Vcc. Это напряжение через светодиод HL1 поступает на вход 11 «Sd» IC3 и запрещает генерацию. Так как входной ток по этому входу недостаточен, для засвечивания светодиода, а так же для исключения ложного срабатывания защиты, по входу «Sd» подключен шунтирующий резистор R26.

Для контроля тока через ПТ был применен сдвоенный компаратор КА393. Его вторая половина следит за напряжением питания нижнего плеча. При этом подразумевается, что оба плеча питания симметричны. При напряжении питания отрицательного плеча ниже уровня примерно «-20В» компаратор срабатывает, и аналогично схеме защиты от превышения тока через ПТ, блокирует работу IC3 и выходного каскада. Это сделано для исключения неприятного свиста при выключении УМ. Кроме этого, схема на таймере 555 IC5 задерживает включение УМ при подключении питания на 2с. Соответственно, при кратковременном срабатывании защиты УМ будет выключаться на 2с. Схема включения IC5 стандартная. Кроме этого, у схемы защиты есть еще одно полезное свойство. Так-так сопротивление канала полевого транзистора растет с температурой (а максимальный допустимый ток уменьшается) и, соответственно, при равных токах на разогретом транзисторе падение будет выше, чем на холодном. Таким образом, порог срабатывания защиты смещается в безопасную зону при перегреве.

В схеме для питания ОУ и компаратора собраны два параметрических стабилизатора на VT1VD1С13R17 и VT2VD2С14R18. Для развязки от ВЧ помех установлены дроссели L1,L2, которые совместно с С15,С17 и С16,С18 составляют LC фильтр. При отсутствии дросселей такого типа допустимо использовать резисторы 100-220 Ом. Для питания драйвера IR2110 IC3 и схемы защиты собран еще один параметрический стабилизатор на VT7VD4R33C20. Применен составной транзистор TIP112. Для него нужен радиатор, который может отводить не менее 3Вт тепла. Основную часть мощности потребляет IC3.

Рис 3. ПП УМ класса Д

Печатная плата представлена на рис.3. Как уже указывалось, ПП не претендует не какой-либо профессионализм, но лишь является работоспособной и легко повторяемой в любительских условиях.

Рис. 4. Монтажная схема УМ верх

Верхний слой фольги оставлен под землю, в местах отверстий под элементы фольга снята небольшим сверлом. Монтажная схема представлена на рис.4.

Рис. 5. Монтажная схема УМ низ

На плате предусмотрена возможность экранирования входного ОУ и компаратора. Для этого вокруг них симметрично расположены земляные полигоны и переходные отверстия. Однако, как оказалось, в этом нет необходимости.

Во время сборки сначала устанавливаются детали параметрических стабилизаторов и цепь источника тока инвертора. Проверяется наличие выходных напряжений на стабилизаторах и падение напряжения на R20. Оно должно быть около 6В. Затем монтируется микросхема-таймер NE555 c обвязкой, R33 не устанавливается. Производится проверка работы узла задержки запуска при включении. Светодиод должен загораться на 1-3с. после включения питания, а затем тухнуть. Затем монтируется компаратор LM393 с обвязкой, в том числе R33 и VT6. Путем регулировки подстрочного резистора R30 устанавливается напряжение на 3 ноге LM393 равным 0,9-1В, проверяется работа схемы контроля напряжения питания. Удобно это делать с помощью регулируемого БП. При понижении напряжения питания менее 15-20В должен загораться светодиод. После проделывания этих проверок устанавливают остальные детали. Сначала правильно смонтировать все смд детали, потом остальные микросхемы, разъемы и радиаторы, дроссель. Обязательно тщательно промыть ПП. Особое внимание нужно уделить правильной полярности установки танталовых конденсаторов и полярности установки VD5-VD8. Не забывайте, что у танталовых конденсаторов полосой обозначен «+». Выходные транзисторы нужно установить на изолирующие прокладки. Перед включением нужно не забыть подключить ОС и установить перемычки. Первое включение лучше осуществлять с помощью маломощного БП. Для этих целей я использовал dc/dc 12 – +/-35В преобразователь с регулировкой выходного напряжения, подключенный от маломощного источника 12В, или через 21Вт лампу. Желательно при первом подключение АС к выходу УМ использовать резистор 20-100 Ом. При отсутствии осциллографа наличие несущей проверяется маломощной лампой накаливания на 27В на выходе дросселя. А с помощью лампы на 2,5В можно оценить реальное напряжение ВЧ на выходе УМ. Что касается постоянного напряжения на выходе, то на моих 3 изготовленных платах оно колебалось от 26мВ до 40мВ, но и с этим можно бороться введением цепей коррекции нуля IC2. Однако мне это показалось излишним.

Дроссель в усилителе едва ли не самый важный элемент. При его неправильном изготовлении либо будут перегреваться транзисторы, либо сам дроссель, либо появятся неприятные призвуки на НЧ. В моем случае я использовал дроссель из тороидального сердечника EPCOS 25,3×14,8×10 N87 c зазором около 1,1мм. Зазор аккуратно прорезан «болгаркой» отрезным кругом толщиной 1мм. При резке нужно соблюдать крайнюю осторожность!!! Индуктивность сердечника с зазором можно вычислить из [7]. В моем случае для получения 30 мкГн намотано 24 витка. Диаметр провода нужно использовать не менее 0,8-1мм. Шунтирующий конденсатор выходного фильтра С27 должен поддерживать высокие токи и напряжения, некачественные конденсаторы в нем выходят из строя. Нужно использовать конденсатор не менее чем на 100В. Обязательно зашунтировать ВЧ помехи как можно ближе к выводам выходных транзисторов керамическими конденсаторами на 100В. 50В smd конденсаторы по питанию могут выйти из строя и прожечь ПП.

Данное устройство при использовании указанных компонентов может выдать 100Вт среднеквадратической долговременной мощности при напряжении в +/-34В. Температура после 30 мин. работы в таком режиме будет составлять около 65С на радиаторе VT7, 53С на микросхеме IC3 и 50 на радиаторах выходных транзисторов. На музыкальном сигнале средней мощности нагрев выходных транзисторов не наблюдается и основным источником тепла становится VT7. При применение обдува и увеличении напряжения до +/-47В макс. мощность возрастет до 200Вт и выше. Необходимо понимать, что максимальное выходное напряжение будет меньшим, чем напряжения питания, на величину размаха несущей на выходе.

Усилитель легко модернизировать, собственно при разработке платы учитывалась возможная необходимость в будущем использовать входную часть с модулятором в более мощной конструкции. Для этого необходимо применить 150В, или даже 200В транзисторы, увеличить напряжение питания и переделать выходную часть устройства. Для этого в стабилизаторах питания ОУ и компаратора установлены транзисторы способные рассеивать значительную мощность. При питании не более +/-25В вполне можно ограничиться гасящими резисторами, так-так ток потребление по питанию ОУ и компаратора не превышает 20-25мА. Вообще, собранный правильно УМ надежен и неприхотлив, и не реагирует на ошибки в номиналах резисторов по «цифровым» цепям вплоть до порядка.

Оптимальная частота работы УМ – около 300 кГц. Схема поддерживает работоспособность вплоть до 600 кГц и, наверное, выше, при этом происходит ощутимый нагрев драйвера IC3. Частота зависит от параметров выходного фильтра и цепей ОС

Все конденсаторы емкостью 1мкФ – танталовые, типоразмера А. Все конденсаторы емкостью 1нФ, кроме С22, – фильтрующие, и от их емкости работоспособность не зависит. В качестве выходных транзисторов можно применить аналоги, например IRF540, однако при этом КПД УМ ухудшится. При отсутствии указанных транзисторов лучше всего использовать параметрический поиск на сайтах изготовителей полупроводников. Радиаторы выходных транзисторов обозначаются HS-123-40. Радиатор VT7- алюминиевый, 10х4х30 мм. Его нагрев при напряжении +/-28В около 40С.

Плата ревизии 4.82 является 100% проверенной, все ошибки исправлены. УМ включается и выключается без щелчков и шумов и не боится короткого замыкания на выходе. При питании от одного источника питания взаимовлияния каналов мной не замечены. Хотя в [3] рекомендуют включать каждый канал УМ от отдельной обмотки трансформатора питания. При мостовом включении нужно шунтировать выходы разных усилителей конденсатором 0,1мкФ. Работоспособность в мостовом включении проверена. Что касается качественных объективных показателей – судить не берусь, нет необходимого инструментария. Субъективно же – звук качественный и как минимум «интересный». Описание звучания ucd УМ описывают в [3].

Стоимость устройства составила около 13$ без учета пересылки, сборки и разработки/наладки. Подсчет цены в приложенном файле MS Excel.

Скачать печатную плату в формате LAY

Дополнение от 16.07.2012:

Осциллограммы, приведенные далее, сняты с платы ревизии 4.82. Все указанные детали соответствую схеме, кроме выходных транзисторов. Применены IRF540. БП импульсный, не стабилизированный. Мощность БП 100Вт. Нагрузка 3.9 Ом резистор. Масштаб по вертикали и горизонтали указан под осциллограммой.

Слева осциллограмма напряжения на выходе УМ без входного сигнала (желтым) и напряжение в средней точке ПТ (голубым). Справа напряжение несущей на выходе.

Напряжение на выходе УМ перед ограничением. Мощность 88Вт. Питание +/-28В.

Теоретически возможное напряжение на выходе равно 28В/1,41=19,8В.

Ограничение. Питание +/-26В. Фильтр 20 кГц.

Сигналы на входе драйвера IR2110

Как видно из осциллограммы, переключение, которое является источником помех, происходит, когда переходные процессы в схеме заканчиваются.

Задержка между появлением импульса на входе драйвера IR2110 и сигналом в средней точке ПТ. Голубым – сигнал управления.

Средняя точка ПТ. Фронт и спад

Выход компаратора LM311

Задержка реакции на смену полярности сигнала на входе диф. каскада (выходе LM311) Желтым – выход LM311, голубым – сигнал на входе драйвера

Общая задержка распространения сигнала. Голубым – выход компаратора, желтым – напряжение в средней точке ПТ

Напряжение датчика тока желтым (фильтр 10Мгц), напряжение средней точки ПТ – голубым

Во время эксплуатации УМ выяснилось, что транзистор VT6 в указанной схеме включения восприимчив к импульсным помехам. Как оказалось, из-за наводок на базу этого транзистора не удается выставить порог защиты выше 100Вт (на 4Ом). Была разработана новая ревизия платы, в которой силовые транзисторы выведены на нижнюю сторону. Изменено также включение схемы защиты, исключен транзистор VT6, радиаторы транзисторов. Уменьшен полигон средней точки ПТ, добавлены цепи подавления «спайков», внесены незначительные изменения в номиналы резисторов. Теперь можно устанавливать плату УМ на пластину-радиатор (дно например). Размер платы уменьшился.

Ссылки:

[1] http://www.google.com.ua/url?sa=t&rct=j&q=%D0%B0%D1%84%D1%82%D0%B0%D1%80%20ucd_aes118_05_2005_putzeys&source=web&cd=2&ved=0CC4QFjAB&url=http%3A%2F%2Fwww.elektroda.pl%2Frtvforum%2Fdownload.php%3Fid%3D303610&ei=-NWGT8W-JMr3sgbGq6XABg&usg=AFQjCNFoc6PsKDQN-Hqxi6xGOF96R_aRqQ&cad=rja

[2] http://www.classd.fromru.com/circuits/ucd1.html

[3] http://www.vegalab.ru/forum/showthread.php/2292-D-class-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%81%D0%B0%D0%B1%D0%B0

[4] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/82793/IRF/IR2110.html

[5] http://www.google.com.ua/url?sa=t&rct=j&q=an%0B944a&source=web&cd=1&ved=0CCoQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww.irf.com%2Ftechnical-info%2Fappnotes%2Fan-944.pdf&ei=P9mGT5KGH8fMsgadwL3kBg&usg=AFQjCNHyns6nA5xkh31JgsIVpDiAZcdmQQ&cad=rja

[6] http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/104297/IRF/IRF540Z.html

[7] http://www.epcos.com/web/generator/Web/Sections/DesignSupport/Tools/Ferrites/Page__License,locale=en.html

Контакты автора: Юрий Игнатьев

Украина, г. Ивано-Франковск, ул. Галицкая, 32, кв 147.

(Киевстар)+38 097 577-69-87, [email protected]

Усилители D-класса на микросхемах MAXIM

Усилители D-класса представляют собой устройства, в которых сначала производится преобразование входного аналогового сигнала в цифровой, промодулированный по частоте, длительности или амплитуде. На выходе усилителя происходит обратное преобразование с восстановлением формы исходного сигнала.

Усилители D-класса весьма экономичны, компактны, имеют высокий, порой превышающий 90 %, КПД, малые потери на коммутирующих элементах.

В этой связи такие устройства, как правило, не нуждаются в отводящих тепловую энергию радиаторах даже при выходной мощности усилителя десятки ватт.

В то же время КНЛ таких усилителей достаточно выражен. Это оправдывает применение усилителей D-класса в недорогой аппаратуре, аппаратуре связи, переговорных устройствах, мегафонах.

В качестве примера практической реализации рассмотрим ниже несколько D-усилителей, производимых фирмой MAXIM.

Усилитель МАХ 9712

МАХ 9712 — монофонический усилитель аудиосигналов D-класса, рис. 1. Микросхема потребляет ток в режиме молчания — 4 мА, в дежурном режиме — 0,1 мкА. Выходная мощность усилителя при работе на нагрузку 8 Ом — 500 мВт при КПД свыше 85 %. Благодаря использованию запатентованных технических решений фильтр на выходе усилителя, обычно используемый в усилителях D-класса для устранения коммутационных помех, не нужен. Одновременно снижено и паразитное излучение электромагнитных сигналов от микросхемы, что ранее было характерно для подобных усилителей. Коэффициент передачи усилителя не регулируется и равен 4 В/В. Усилитель имеет защиту от перегрева и короткого замыкания в нагрузке.

Микросхема использует две схемы модуляции: режим работы с фиксированной частотой и широкополосный режим, в котором снижается уровень электромагнитных излучений, имеющих частоту ниже частоты модуляции. Задающий генератор микросхемы МАХ 9712 может быть синхронизирован внешним сигналом, поданным на вход SYNC. Возможно объединение двух усилителей по схеме ведущий/ведомый для работы в стереорежиме.

Усилитель МАХ 9770

Микросхема МАХ 9770 (рис. 2) состоит одновременно из двух усилителей:

♦ маломощного линейного УНЧ на 80 мВт с выходом на головные телефоны сопротивлением 16 Ом;

♦ бесфильтрового монофонический усилителя D-класса с выходной мощностью до 1,2 Вт при работе на нагрузку сопротивлением 8 Ом.

КПД усилителя D-класса достигает 85 %. МАХ 9770 работает от однополярного источника питания напряжением 2,5—5,5 В.

Маломощный линейный УНЧ может работать при однополярном питании на заземленную нагрузку без использования разделительных конденсаторов. Вход датчика наушников позволяет обнаружить их подключение и автоматически переводит усилитель из одного режима работы в другой.

МАХ 9770 имеет встроенную логическую схему переключения коэффициента усиления и входной мультиплексор/миксер, позволяющий работать от нескольких источников сигнала.

В усилителе использована оригинальная схема подавления акустических щелчков при включении-выключении. Предусмотрена защита микросхемы от перегрева и от короткого замыкания в нагрузке. В дежурном режиме микросхема потребляет ток до 0,1 мкА.

Похожие радиосхемы и статьи:

Сабвуферный усилитель класса D на основе TL494

Данная конструкция изначально создавалась просто для того, чтобы понять, что в действительности можно получить от усилителя класса D. Конечно, первая мысль была — найти какой-нибудь прототип, но длительные поиски в интернете не дали ничего кроме фраз «Да сделай ты это на TL494!», но нигде не было никаких схем. Собирать на специализированной интегральной схеме (TDA8920) не представлялось возможным из-за ее дороговизны и дефицитности и ограниченной выходной мощности такого усилителя. В общем, пришлось придумывать свое.

Сначала я хотел сделать усилитель, взяв за основу UC3842/3843 и использовать мощный выходной каскад на полевых транзисторах разной структуры, например, как в известной книге Шкритека (стр. 231). Подобный выходной каскад применен и в конструкции, публиковавшейся не так давно в журнале «Радио». Очевидное преимущество такого каскада — простота, но есть и существенные недостатки. Во-первых, необходимо двуполярное питание, во-вторых, возможно протекание сквозного тока через транзисторы, в третьих, транзисторы разной структуры имеют разное сопротивление канала в открытом сосотоянии, что требует, по-хорошему, применения разного количества транзисторов в плечах (транзисторов с p-каналом нужно ставить больше), а это приводит к существенному усложнению конструкции. Все перечисленное приводит к тому, что реально от такого выходного каскада большую мощность не получить.

Учитывая изложенные причины, было принято решение делать мостовой выходной каскад на транзисторах с n-каналом. Несмотря на то, что такой каскад требует применения достаточно дорогостоящих драйверов (я применил IR2110), он свободен от всех недостатков простого выходного каскада, в частности, пользуясь такой схемой можно увеличивать выходную мощность, повышая напряжение питания, при этом при напряжении питания выходного каскада до 70-80 вольт можно применять дешевые ключевые транзисторы, например, IRF540, и снимать с выходного каскада мощность в несколько сотен Вт.

Что касается собственно ШИМ-модулятора, то здесь, рассматривалось 2 варианта — UC3843 и TL494. UC3843 очень неплох, т.к. используя его можно получить высокие тактовые частоты, но, к сожалению, он имеет однофазный выход, так что для того, чтобы использовать его для питания двухтактного каскада пришлось бы ставить еще несколько внешних элеменов для инвертирования выходного сигнала, в простейшем случае транзисторный ключ, а лучше еще один корпус логики. В противоположность UC3843, TL494 не позволяет получить тактовые частоты выше 300КГц (по паспорту, а реально и на 100КГц уже все не так гладко), но содержит внутри себя все необходимое, для постороения узла управления, позволяя ограничиться несколькими пассивными компонентами в обвязке. Поэтому, поразмыслив, я решил сделать усилитель все-таки на основе TL494.

Схема собранного прототипа здесь. Тактовая частота генератора равна 100кГц, можно и больше, но при этом минимальная длительность импульса получается более 6% от периода колебания, что на мой взгляд, маловато. Конденсаторы С5 и С6 можно не устанавливать — достаточно 0.1мкФ. Как видно, схема не содержит обратной связи. С одной стороны, это делает ее чувствительной к изменению напряжения питания выходного каскада, с другой стороны, не стоит забывать, что это всего лишь макет прототипа, от него многого и не требовалось, лишь бы работал:) Схема отмакетирована, но печатная плата не разрабатывалась. Налаживание сводится к установке нуля на выходе подстроечным резистором.

Испытания проводились на низкочастотный громкоговоритель, представляющий из себя две параллельно соединенные головки 10ГД30 в ящике объемом около 50л, фильтр на выход усилителя не подключался, громкоговоритель был подключен к усилителю парой свитых проводов. Выходные транзисторы на радиаторы не устанавливались, т.к. совершенно не грелись. Самое удивительное, что работает это неплохо и без обратной связи. Изначально планировалось использовать такой выходной каскад в мощном сабвуфере (и действительно, для построения сабвуфера такой усилитель подходит идеально), но после того, как я послушал, как это играет, мне показалось, что у такого усилителя есть достаточно высокий потенциал и при использовании в среднечастотном звене. Существенный момент — для того, чтобы такой усилитель нормально работал, полосу сигнала на входе нужно ограничить с помощью ФНЧ. Лучше, если частота среза будет не более одной десятой от тактовой (а лучше и еще меньше). Жаль, что не удалось поднять повыше тактовую частоту, может и на высоких было бы неплохо. Если позволит время, которого почти нет:(, попробую сделать на основе этого усилителя законченную конструкцию.

Если решите собирать такой усилитель, необходимо сразу задуматься о защите громкоговорителя от постоянного напряжения на выходе, т.к. схема не содержит никаких средств поддержания нуля на выходе. Несмотря на то, что скважность определяется напряжением, привязанным к выходу опорного напряжения TL494 и поддерживается довольно точно, предусмотреть защиту все-таки следует. Что касается защиты от короткого замыкания в нагрузке, то при малых мощностях будет достаточно плавкого предохранителя, а при больших надо строить отдельную схему защиты — для этого можно использовать входы SD (Shutdown) драйверов IR2110. Для увеличения выходной мощности выходные ключи можно (и нужно) запитывать от отдельного источника напряжения. Примененные драйверы позволяют поднимать напряжение питания выходных ключей до 500В (я, правда, не могу себе представить, кому это может понадобиться), необходимо будет только применить диоды, рассчитанные на соответствующее напряжение, примененные SF12 имеют допустимое обратное напряжение 200В. Диоды D4-D7 обязательно должны быть диодами Шоттки. Наконец, в качестве дайверов можно применить IR2113 без внесения изменений в схему.

Полная схема выложена здесь.

Внимание! Именно в таком виде схема ни разу не собиралась. Собранное устройство не имело цепей защиты. Тип транзистора Q1 и стабилитрон в его коллекторе нужно выбирать исходя из напряжения питания, резисторы датчика тока — исходя из тока ограничения. Вообще, эта часть схемы нуждается в переработке. Именно так строить защиту не рекомендую. В остальном, схема была вполне рабочей, нормально работала от нестабилизированного источника питания. И еще раз повторюсь, для нормальной работы данной схемы необходимо ограничить полосу входного сигнала (это относится ко всем усилителям класса D), на входе необходим ФНЧ, рекомендую — с частотой среза не более 1/10 от тактовой частоты задающего генератора, имея в виду сабвуферное предназначение. Кроме того, на схеме не показан дроссель выходного фильтра. Я собирал только макет, т.к. меня интересовала исключительно идея. В готовом устройстве выходной фильтр обязателен. Обратную связь при этом нужно снимать после фильтра.

Принципиальная схема усилителя мощности класса D

, работа, формы сигналов, теория работы

Усилитель мощности класса D.

Усилитель мощности класса D — это тип аудиоусилителя, в котором устройства управления мощностью работают как двоичные переключатели. Поскольку устройства управления питанием (МОП-транзисторы) работают как совершенные двоичные переключатели, не тратится время между переключениями каскадов и не тратится энергия при нулевом входном состоянии. Усилители мощности класса D намного энергоэффективны по сравнению со своими предшественниками, такими как класс A, класс B и класс AB.Из списка наиболее эффективный класс AB имеет максимальный теоретический КПД 78,5%. В практическом сценарии с реальными динамиками в качестве нагрузки эффективность усилителей класса AB может упасть до 50%. В то же время хорошо спроектированный усилитель класса D с настоящими динамиками при нагрузке никогда не опустится ниже 90% с точки зрения эффективности. Теоретическая эффективность усилителя класса D составляет идеальные 100%.

Идеальный двоичный переключатель пропускает через него весь ток без напряжения на нем, когда он включен.Когда он выключен, все напряжение остается на нем, и ток через него не течет. Это означает, что мощность не тратится на переключающий элемент, который выполняет усиление, и это объясняет невероятную эффективность усилителя класса D. И наоборот, усилитель класса AB всегда будет иметь некоторый ток, проходящий через переключающий элемент, и некоторое напряжение, остающееся на переключающем элементе.

Более высокий КПД означает низкое тепловыделение и означает меньшее рассеивание энергии по сравнению с предшественниками (Класс A, Класс B, Класс AB и Класс D).Поскольку усилители класса D обладают высокой энергоэффективностью, для них требуется меньший радиатор и меньший блок питания. Меньший радиатор и меньший блок питания уменьшают размер, и это главное преимущество усилителя класса D. Усилители класса D стали очень популярными в таких приложениях, как портативные аудиоустройства, портативные домашние кинотеатры, мобильные телефоны и т. Д., Где все в этих случаях выходная мощность должна быть приличной (с точки зрения мощности и точности воспроизведения), а размер должен быть как можно меньшим. Класс D — единственный вариант объединения всех этих требований.

Типичный усилитель мощности класса D состоит из генератора пилообразных сигналов, компаратора (на основе OPAMP), схемы переключения и фильтра нижних частот. Блок-схема усилителя класса D показана на рисунке ниже.

Генератор пилообразных сигналов.

Генератор пилообразного сигнала генерирует высокочастотный пилообразный сигнал для дискретизации входного аудиосигнала. Частота пилообразного сигнала обычно выбирается в 10 раз больше максимальной интересующей частоты входного аудиосигнала.

Компаратор.

Основная задача компаратора — оцифровка входного аудиосигнала путем смешивания его с пилообразной формой волны. Результатом этого микширования будет цифровая копия аналогового входного сигнала. Низкочастотные компоненты цифрового сигнала будут представлять входной аудиосигнал, а высокочастотные компоненты цифрового сигнала не представляют интереса. Формы входных и выходных сигналов компаратора показаны на рисунке ниже.

Коммутационная цепь.

Несмотря на то, что выход компаратора является цифровым представлением входного аудиосигнала, он не может управлять нагрузкой (динамиком). Задача схемы переключения — обеспечить достаточный коэффициент усиления по току и напряжению, который необходим для усилителя. Схема переключения обычно построена на полевых МОП-транзисторах. Формы входных и выходных сигналов схемы переключения показаны на рисунке ниже.

Фильтр нижних частот.

Задача фильтра нижних частот — отфильтровывать полезные низкочастотные составляющие на выходе схемы переключения.Выходной сигнал фильтра нижних частот будет масштабированной копией входного аудиосигнала. Контуры отрицательной обратной связи часто включаются между выходом фильтра нижних частот и аудиовходом компаратора, чтобы бороться с ошибками.

Преимущества усилителя класса D.

Низкое тепловыделение.
Уменьшенные габариты и вес.
Высокая эффективность преобразования мощности. Практически вся потребляемая мощность поступает на нагрузку.

Недостатки усилителя класса D.

Требуется очень чистый и стабильный источник питания.
Высокочастотная характеристика зависит от импеданса громкоговорителя.

Усилитель высокой мощности класса D D4K5

Эта схема усилителя высокой мощности представляет собой усилитель мощности класса D, который имеет достаточно высокую мощность, чтобы генерировать мощность 1000 Вт при сопротивлении 8 Ом, а также большую мощность до 2000 Вт при сопротивлении 4 Ом. Этот усилитель мощности может генерировать большую мощность при наличии достаточного источника питания.Например, вы можете использовать трансформатор 30А с симметричным напряжением 100В. Вот принципиальная схема усилителя высокой мощности класса D D4K5:

Список компонентов

Резистор

R1, R3, R4, R9, R13, R18, R19, R20 = 1K

R2, R16, R39 = 100 К

R5, R6 = 10R

R7, R8 = 6K8 / 2W

R10, R21, R26, R27 = 4K7

R11, R17 = 6K8

R12 = 100R

R14, R15 = 4R7

R22, R23, R24, R25, R31, R33 = 47R

R28, R29, R30 = 0,1R / 2W

R36, R38 = 22R / 2W

R40 = 1K5 / 5 Вт

R41 = 10R / 2W

RV1 = 10K Trimpot

Конденсатор

C1 = 10 мкФ / 16 В

C2 = 10N

C3, C4 = 1N

C5 = 470 мкФ / 16 В

C6 = 220 мкФ / 16 В

C7, C9, C11, C12, C13, C15, C16, C18, C19 = 100N MKP

C8 = 470 мкФ / 16 В

C10, C14, C17 = 100 мкФ / 16 В

C20 = 10 мкФ / 50 В

C21, C22, C23 = 220 Н / 475 В

C24, C25, C26 = 470 мкФ / 180 В

C27, C31, C33 = 100 Н / 275 В

C28, C29, C30 = 470 мкФ / 180 В

C32 = 470N / 250V

Диод

D1, D2, D5, D10, D11 = 1N4148

D3, D4 = ZD5V6

D6, D18, D19 = MUR460

D7 = светодиод (КРАСНЫЙ) OCP

D8 = ZD5V6

D9 = светодиод (СИНИЙ)

D12, D13, D14, D15, D16, D17 = 1N5819

Транзистор

Q1 = 2N5401

Q4, Q6 = BD139

Q5, Q7 = BD140

Q8, Q9, Q10, Q11, Q12, Q13 = IRFP260

U1 = TL071

Q2 = CD4049

Q3 = IR2110

U2 = NE555

U3 = LM311

Усилитель мощности использует компоненты просмотра, и этот усилитель мощности включает OCP, DCP.И с использованием 6x N-Channel Power Mosfet. Вы можете использовать IRFP260, IRFP4227, IRFP4242 и другие. Если вы хотите сделать этот усилитель мощности, см. Следующий макет печатной платы

. Посмотреть макет печатной платы увеличенного размера: PCB Class-D D4K5
СКАЧАТЬ PCB .PDF: PCB Layout Design Class D D4K5

Как сделать усилитель мощности класса D [ВИДЕО]

Ниже пошагово, как самому сделать печатную плату для этого усилителя мощности [ВИДЕО]

Видео обновлено двухслойной печатной платы от JLCPCB

Улучшенные методы коррекции ошибок для безфильтрового цифрового усилителя мощности звука класса D на основе FCLNF

Стремление к исправлению ошибки, вызванной нелинейным шумом и шумом источника питания силового каскада с мостовой нагрузкой (BTL) безфильтрового цифрового блока питания класса D В усилителе был предложен метод коррекции ошибок, основанный на методах подавления шума источника питания с прямой связью (FFPSNS) и замкнутой отрицательной обратной связи первого порядка (FCLNF).Этот метод построил контур LCLNF первого порядка для силового каскада и дополнительно снизил влияние шума источника питания на выход усилителя мощности за счет использования технологии FFPSNS, которая одновременно вносит шум источника питания в контур обратной связи. Процесс CMOS 0,35 мкм мкм используется для анализа и сравнения в Cadence. Результаты моделирования каденции показывают, что PSRR на частоте шума источника питания 200 Гц улучшается на 36,02 дБ. Компоненты, вызванные интермодуляционными искажениями (PS-IMD) источника питания, уменьшаются примерно на 15.57 дБ, а отношение сигнал / шум (SNR) усилителя мощности увеличено на 17 дБ. Общее гармоническое искажение + шум (THD + N ) усилителя мощности снижено до 0,02% с помощью FCLNF + FFPSNS.

1. Введение

В последние годы страна продвигала высокоэффективные и энергосберегающие технологии и поощряла усиление высокоэффективных и энергосберегающих технологических преобразований и ключевых технологических достижений. С появлением аудио- и видеооборудования для приложений с низким энергопотреблением цифровые усилители мощности звука класса D без фильтров обладают высокой энергоэффективностью и простым интерфейсом с источниками цифрового звука, что отдают предпочтение исследователям в отрасли [1].И в 11 ключевых технологиях, оцененных IEEE Spectrum за последние десять лет, прогнозируется, что высокоэффективные усилители звука класса D в конечном итоге объединят рынок усилителей звука [2]. Однако собственное неидеальное состояние и шум источника питания могут вызвать серьезные искажения выходного сигнала усилителя мощности.

Цифровые усилители мощности класса D привлекают все большее внимание из-за их преимуществ высокой энергоэффективности, простоты трансплантации системы и устойчивости к внешним помехам [3].Традиционный цифровой усилитель мощности класса D обычно состоит из цифрового модулятора сигнала переключения, силового каскада и аналогового фильтра нижних частот с индуктивным конденсатором (LC). Модулятор цифровых коммутационных сигналов в основном использует реализацию технологии широтно-импульсной модуляции с равномерной выборкой (UPWM). LC-фильтр нижних частот традиционного цифрового усилителя мощности класса D занимает около 75% объема всей системы усилителя мощности и потребляет около 30% стоимости, что серьезно затрудняет портативное применение цифровых усилителей мощности класса D [4 ].Цифровой усилитель мощности класса D без фильтра, являющийся новым типом цифрового усилителя мощности класса D, может заставить громкоговоритель работать без необходимости использования LC-фильтра нижних частот с помощью специальной технологии модуляции и поддерживать высокую энергоэффективность, чтобы соответствовать требованиям потребности цифрового звука с развитием миниатюризации оборудования; Цифровой усилитель мощности класса D без фильтров стал горячей точкой исследований в области современных усилителей мощности [5].

Для того, чтобы цифровой усилитель мощности звука класса D достиг высокого коэффициента подавления подачи питания (PSRR), интермодуляционных искажений, вызванных источником питания (PS-IMD), отношения сигнал / шум (SNR) и общего гармонического искажения + Шум (THD + N ), два больших источника ошибок должны быть скорректированы на неидеальность и шум источника уровня мощности, вносимый уровнем мощности [6].

Для цифровых усилителей мощности класса D без фильтров ошибки, вызванные нелинейностью и неидеальными условиями работы силового каскада, особенно ошибки, вызванные шумом источника питания силового каскада, серьезно влияют на выходные характеристики усилителя мощности. [7, 8]. Хотя коэффициент отклонения источника питания усилителя мощности (PSRR) теоретически может достигать бесконечности, когда верхний и нижний полумосты силового каскада с мостовой нагрузкой (BTL) усилителя мощности полностью согласованы, помехи источника питания вызваны шум источника питания.Искажение модуляции (PS-IMD) по-прежнему велико. В ответ на эту проблему Donida et al. [7] и Mostert et al. [8] подали выходной сигнал усилителя мощности на вход усилителя мощности, установив глобальный замкнутый контур отрицательной обратной связи, включающий в себя модулятор цифрового переключающего сигнала и силовой каскад. Предварительная коррекция выполняется в оконечном или коммутационном модуляторах сигнала для достижения цели коррекции ошибки уровня мощности, но требуется дополнительный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), что приводит к значительному увеличению стоимости системы.Chen et al. [9] и Cellier et al. [10] построили локальный замкнутый контур отрицательной обратной связи (LCLNF), содержащий только уровень мощности, чтобы исправить ошибку уровня мощности. Этот метод обеспечивает систему. В стабильном состоянии способность подавлять шум источника питания уровня мощности слабая. Таким образом, в настоящее время существует меньше методов коррекции ошибок для силового каскада цифрового усилителя мощности класса D без фильтров, а существующий метод коррекции ошибок силового каскада цифрового усилителя мощности класса D может иметь более высокую стоимость реализации, или силовой каскад. ошибка питания.Корректирующая способность слабая.

Стремясь к двум указанным выше основным источникам ошибок, Донг Джун Ли и Джинхо Но и др. использовали технологию локальной отрицательной обратной связи, чтобы установить модуль подавления шума уровня мощности между модулятором сигнала переключения и уровнем мощности, но это привело бы к увеличению частоты переключения уровня мощности [11, 12]. Также используются схемы аналогового контура управления с отрицательной обратной связью и технология предварительной коррекции шума источника питания на уровне мощности [13–15].Схема сложна и требует использования АЦП для преобразования шума источника питания в цифровые сигналы. В [16] предлагается технология шума с прямой связью для аудиоусилителя класса D с односторонней выходной структурой (SE), но этот метод применяется к аудиоусилителю класса D с выходной структурой SE, и система содержит внешнюю LC low -проходной фильтр. В этой статье разрабатывается метод коррекции ошибок с обратной связью первого порядка с обратной связью (FCLNF) для безфильтрового цифрового усилителя мощности аудио класса D с мостовой нагрузкой (BTL) и FCLNF, подходящего для цифрового класса без фильтров. D аудиоусилитель мощности BTL, силовой каскад плюс метод подавления ошибок источника питания с прямой связью (FCLNF + FFPSNS).

2. Коррекция ошибок FCLNF + FFPSNS

Силовой каскад класса D является одним из ключевых модулей безфильтрового цифрового усилителя класса D. Его функция заключается в усилении слабого сигнала ШИМ для управления динамиком с низким сопротивлением. Его входной и выходной сигнал являются цифровыми сигналами ШИМ. Поскольку пульсационный шум, содержащийся в источнике питания, и неидеальное состояние самого силового каскада влияют на качество выходного сигнала, необходимо выполнить коррекцию ошибок в силовом каскаде без обратной связи.

Цифровой аудиоусилитель мощности класса D без фильтров в основном состоит из цифрового модулятора UPWM и силового каскада BTL. Первая часть является цифровой, а вторая — аналоговой. Его структура показана на рисунке 1. Из рисунка 1 видно, что цифровой аудиоусилитель мощности класса D без фильтров можно разделить на модулятор UPWM, силовой каскад BTL с разомкнутым контуром и громкоговоритель в целом. Модулятор UPWM представляет собой цифровую схему, а силовой каскад BTL без обратной связи представляет собой аналоговую схему.Модулятор UPWM состоит из цифрового интерполяционного фильтра, синфазного буфера и буфера инвертированного единичного усиления, сигма-дельта модулятора и генератора UPWM.

2.1. Принцип анализа исправления ошибок FCLNF

Схема FCLNF состоит из модуля компенсации, модуля ремодуляции, уровня мощности BTL и некоторых пассивных компонентов [3, 17]. Ее схема и эквивалентная модель показаны на рисунке 2. Там и, соответственно, входные сигналы и является синфазное напряжение или опорное напряжение.

и являются передаточными функциями от входного сигнала до инвертирующего входа интегратора. и — коэффициенты усиления интегратора верхнего и нижнего мостов соответственно. и — коэффициенты обратной связи верхнего и нижнего мостов соответственно. и — объединенное линейное усиление уровня мощности и модуля ремодуляции.

В идеальных условиях, если отклонение между двумя путями обратной связи составляет.

Фактор рассогласования между сопротивлениями равен, фактор рассогласования между конденсаторами равен и эквивалентен

PSRR усилителя мощности, использующего метод FCLNF, составляет

2.2. Принцип анализа исправления ошибок FCLNF + FFPSNS

FFPSNS подает шум источника питания силового каскада на внешний модуль силового каскада для предварительной коррекции с помощью определенных средств. Схема управления с прямой связью вычитает шум источника питания с прямой связью из входного сигнала ШИМ, а затем количественно оценивает шум источника питания через компаратор. Шум источника питания преобразуется в эффективный рабочий цикл сигнала ШИМ, чтобы достичь цели коррекции шума источника питания.Это предложение состоит из модуля FCLNF, модуля FFPSNS, модуля ремодуляции и уровня мощности BTL [18, 19]. Его принципиальная схема и эквивалентная модель показаны на рисунке 3.

Входные сигналы верхнего и нижнего полумостов порта питания в усилителе мощности находятся соответственно. это синфазное напряжение или опорное напряжение. сопротивление обратной связи. и — выходные сигналы интегратора. и — выходные сигналы модуля FFPSNS. ,,, и,,, имеют одинаковый физический смысл и ценность.

и являются передаточными функциями от входного сигнала до инвертирующего входа интегратора. и — коэффициенты усиления интегратора верхнего и нижнего мостов соответственно. и — коэффициенты обратной связи верхнего и нижнего мостов соответственно. и — объединенное линейное усиление уровня мощности и модуля ремодуляции. — масштабный коэффициент шума источника питания. и являются передаточной функцией прямого канала.

В идеальных условиях,, и если отклонение между двумя путями обратной связи составляет.

Расхождение между теорией и реальной ситуацией составляет. Коэффициент рассогласования между сопротивлениями равен, коэффициент рассогласования между конденсаторами равен и эквивалентен.

PSRR усилителя мощности, использующего метод FCLNF + FFPSNS, составляет

2.3. Схема улучшенного метода коррекции ошибок

Складной каскодный двухкаскадный компенсирующий операционный усилитель Миллера с двумя входами и одним выходом, используемый в этой статье, показан на рисунке 4.

На основе предложенного метода коррекции ошибок силового каскада, Реализована схемная реализация безфильтрового цифрового усилителя мощности класса D BTL силового каскада с коррекцией ошибок.Из рисунка 1 видно, что операционный усилитель и компаратор напряжения являются ключевыми модулями для этого метода. В операционном усилителе используется каскодная двухступенчатая архитектура компенсации Миллера с двойным входом и одним выходом, как показано на рисунке 4. На рисунке показано напряжение источника питания; ,,, — напряжения смещения операционного усилителя; — выходной сигнал операционного усилителя; и — входные сигналы операционного усилителя; — конденсатор компенсации Миллера; и сопротивление есть.При параллельном подключении для повышения стабильности операционного усилителя ширина полосы единичного усиления и запас по фазе операционного усилителя составляют 13 МГц и 70,3 ° соответственно, а коэффициент усиления без обратной связи составляет 109,9 дБ, а PSRR на 100 Гц составляет 95 дБ. В операционном усилителе с прямой связью также используется архитектура, показанная на рисунке 4, с полосой пропускания с единичным усилением и запасом по фазе 10 МГц и 68 ° соответственно.

Схема компаратора напряжения относительно проста, и ее схема показана на рисунке 5.На рисунке, и — входные сигналы компаратора напряжения, а — выходной сигнал компаратора напряжения. В компараторе используется двухступенчатая архитектура усиления. Первый каскад усиления использует структуру схемы дифференциального усилителя и дифференциальную схему для подавления синфазных помех. Усиление второго каскада использует каскодную схему для точного управления напряжением смещения. Выходной каскад использует двухтактный выход для увеличения управляющей способности выхода, в то время как добавление инвертора к выходному каскаду может увеличить время отклика компаратора.После моделирования выходной сигнал компаратора имеет время нарастания 560 пс и время спада 720 пс.

2.4. Моделирование и анализ результатов

Чтобы проверить эффект коррекции ошибок вышеупомянутой схемы, маршрут эксперимента по моделированию, принятый в этой статье, показан на рисунке 6. Экспериментальное моделирование в этой статье основано на Matlab и Cadence. В частности, Matlab используется для генерации двух источников сигнала ШИМ, необходимых для моделирования каденции, а данные сигнала, экспортируемые Matlab, сохраняются как.dat файл. В Cadence модуль источника V, _, используется для хранения данных формы сигнала в виде pwl в Cadence и использования их в качестве сигнала для источника моделирования Cadence. Схема управления FCLNF, содержащая уровень мощности BTL, была построена на платформе Cadence, а затем симулятор Cadence Spectre был использован для моделирования переходных процессов в системе. Наконец, после выборки в Cadence, импортируйте файл .csv в Matlab для анализа спектра и расчета производительности.

На этой схеме ASMC 0.35 мкм мкм CMOS-процесс принят для разработки и создания схемы на платформе Cadence. Условия моделирования: угол процесса mos_tt и температура 27 ° C. Схема управления FCLNF работает при напряжении источника питания 5 В постоянного тока, то есть 5 В, в то время как силовой каскад BTL работает при напряжении источника питания постоянного тока 10 В. VCM составляет половину рабочего напряжения цепи управления с отрицательной обратной связью, а в качестве нагрузки RL силового каскада BTL используется резистор 8 Ом. Входным сигналом усилителя мощности является 24-битный синусоидальный одночастотный цифровой сигнал (частота 1 кГц и амплитуда –5 дБ).Данные формы волны UPWM, сгенерированные Matlab, вводятся в схему моделирования через компонент в Cadence. Время моделирования переходного процесса составляет 42,7 мс. Форма выходного сигнала моделирования дискретизируется и экспортируется с интервалом 40,69 нс (частота дискретизации 24,6 МГц). Результат моделирования показан на рисунке 7.

На рисунке 7 после коррекции FCLNF PSRR усилителя мощности на частоте шума источника питания 200 Гц был равен 82,8 дБ, а PSRR увеличился на 36,02 дБ. PS-IMD усилителя мощности примерно равно -80.63 дБ, уменьшившись на 34,73 дБ. SNR был увеличен до 85,7 дБ, а характеристики SNR были намного выше, чем у выходного сигнала нескорректированной схемы (58,59 дБ), который улучшился на 27,11 дБ. Выходные THD + N усилителя мощности были снижены до 0,0356%, что намного меньше, чем выходное THD + N (0,464%) усилителя мощности без схемы коррекции. На рисунке показано, что PSRR усилителя мощности с коррекцией FCLNF + FFPSNS на частоте шума мощности 200 Гц составляет 84.3 дБ, что близко к показателям PSRR в FCLNF.

Влияние амплитуды шума источника мощности на характеристики усилителя мощности PSRR и PS-IMD показано на рисунках 8 и 9.

Амплитуда шума источника питания увеличилась с -90 дБ до -20 дБ. Независимо от того, откалиброван он или нет, PSRR усилителя мощности остался в основном неизменным с увеличением амплитуды шума источника питания, а PSRR, скорректированный FCLNF и FCLNF + FFPSNS, значительно выше, чем у нескорректированного.Характеристики PSRR двух схем коррекции в основном совпадают.

PS-IMD усилителя мощности не изменяется в зависимости от амплитуды шума источника питания. После коррекции FCLNF и коррекции FCLNF + FFPSNS, когда амплитуда шума источника питания мала (<-70 дБ), PS-IMD в основном не изменяется. Это связано с фоновым шумом в спектре выходного сигнала. Амплитуда интермодуляционных составляющих, создаваемых шумом источника питания и входным сигналом, в основном такая же, как амплитуда фонового шума.Однако по мере того, как амплитуда шума источника питания продолжает увеличиваться, PS-IMD усилителя мощности начинает увеличиваться, а характеристики PS-IMD ухудшаются. Это происходит из-за интермодуляционной составляющей, создаваемой шумом источника питания, и входной сигнал выше, чем фоновый шум, когда амплитуда шума источника питания увеличивается до определенной степени, а характеристики PS-IMD двух схем коррекции в основном эквивалентны.

На рисунке 10 сравниваются изменения PSRR усилителя мощности с частотой шума источника питания при использовании трех решений.Из рисунка 6 видно, что, вне зависимости от того, скорректировано оно или нет, PSRR усилителя мощности не изменится резко по мере увеличения частоты шума источника питания силового каскада, а PSRR усилителя мощности после коррекции с помощью LCLNF + FFPSNS и LCLNF значительно выше, чем PSRR нескорректированного усилителя мощности.

На рисунке 11 сравниваются изменения PS-IMD усилителя мощности с частотой шума источника питания при использовании трех схем.По мере увеличения частоты шума источника питания PS-IMD нескорректированного усилителя мощности становится относительно большим и в основном остается неизменным, в то время как PS-IMD усилителя мощности после коррекции с использованием LCLNF и LCLNF + FFPSNS медленно изменяется на низких частотах (<1000 Гц). На высоких частотах (> 1000 Гц) PS-IMD значительно увеличивается, что вызвано ограниченным произведением полосы усиления операционного усилителя в схеме коррекции, но PS-IMD меньше, чем нескорректированное.В то же время PS-IMD усилителя мощности после коррекции LCLNF + FFPSNS значительно меньше, чем схема коррекции LCLNF.

Таким образом, PSRR усилителя мощности после коррекции с помощью LCLNF и LCLNF + FFPSNS в основном не зависит от амплитуды и частоты шума источника питания силового каскада. При изменении амплитуды и частоты шума источника питания силового каскада PS-IMD усилителя мощности после коррекции LCLNF + FFPSNS значительно ниже, чем после коррекции LCLNF.В то же время амплитуда шума блока питания силового каскада оказывает более значительное влияние на PS-IMD усилителя мощности, чем частота шума блока питания.

В одних и тех же экспериментальных условиях были сравнены и проанализированы две схемы коррекции. Результаты показывают, что по сравнению с нескорректированным уровнем мощности производительность PSRR на частоте шума источника 200 Гц улучшается на 36,02 дБ после коррекции FCLNF. Составляющая PS-IMD уменьшилась примерно на 34.73 дБ. Характеристики SNR улучшились на 27,11 дБ, а THD + N значительно снизился. По сравнению с использованием только схемы исправления ошибок FCLNF, характеристики усилителя мощности, использующего схему исправления ошибок FCLNF + FFPSNS, сопоставимы при частоте шума источника питания 200 Гц. Однако PS-IMD усилителя мощности снизился на 15,57 дБ. SNR был дополнительно улучшен на 17 дБ, а THD + N упал до 0,02%.

Доступность данных

Все данные о результатах, использованные для подтверждения выводов этого исследования, можно получить у соответствующего автора по запросу.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Key Problems in Science and Technology провинции Henan (172102310671), Anyang Science and Technology Project и Anyang Institute of Technology Cultivation Project (YPY2019004), а также Key Discipline Project Министерства образования Хэнань (2018 [ №: 119]).

Проектирование и моделирование усилителя звука класса D

Диссертация

Название: Аудиоусилитель класса D

Аннотация:

Диссертация о разработке и моделировании цифрового усилителя звука класса D, который обычно используется в различных приложениях повседневной жизни человека, таких как аудиоплееры, планшеты, наушники, смартфоны.Усилители класса D доступны с 1960-х годов для использования в полевых условиях, но не используются регулярно в крупных приложениях. Усилители класса D также известны как переключающие усилители. Аудиоусилители класса D обычно имеют высокий КПД для любого диапазона выходной мощности от средней до высокой. Усилитель класса D, естественно, имеет совместимость с широтно-импульсной модуляцией и почти 100% КПД. Усилители класса AB обеспечивают очень высокое качество звука, но уступают по эффективности по сравнению с усилителями класса D, эти усилители обычно имеют низкий КПД.Усилители класса D непрерывно переключают выходной сигнал с отдельных перил на другие на сверхзвуковой частоте, контролируя коэффициент заполнения для получения среднего значения, представляющего мгновенный уровень аудиосигнала. Это альтернативно называется широтно-импульсной модуляцией. Входные звуковые частоты здесь используются в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц. Принятый звуковой сигнал требует более раннего обучения и фильтрации по сравнению с треугольной волной. И фильтр нижних частот должен использоваться для остановки наложения спектров, тогда уровень должен быть ограничен меньше, чем у треугольной волны.А амплитуда аудиосигнала может потребоваться ослабить или усилить, чтобы конкурировать с компаратором, который обеспечивает также треугольную амплитуду волны. Для увеличения соотношения сигнал / шум, пиковый уровень входного аудиосигнала должен быть как можно ближе к системе и максимально приближен к полной шкале. Зависит от конкретного приложения, а также громкоговоритель, и это может быть полезно для ограничения полосы входного сигнала. хороший пример, когда используется небольшой динамик, который действительно не может воспроизводить тоны ниже 100 Гц, а входной сигнал должен быть отфильтрован по верхним частотам для уменьшения потерь энергии и возможного повреждения динамика.

Содержание

Аннотация:

Благодарности

Таблица цифр:

Введение:

Для чего нужны усилители звука?

Усилитель звука класса A:

Аудиоусилитель класса B:

Усилитель класса AB:

КПД усилителя класса G:

Усилитель класса D:

История усилителя класса D:

Основные принципы:

Базовая структура и обозначение полевого МОП-транзистора

Операционный усилитель:

Выходные фильтры:

Зачем нужен фильтр в усилителях класса D:

Фильтр низких частот:

Выбор компонентов

Сравнение топологии — линейная vs.Класс D

Преимущества усилителя класса D

Методология:

Процессор:

Моделирование:

Заключение и будущее:

Список литературы

Рисунок 1: Усилитель звука класса A

Рисунок 2: Усилитель звука класса B

Рисунок 3: Усилитель звука класса AB

Рисунок 4: Базовая блок-схема усилителя звука класса D

Рисунок 5: Форма выходного сигнала от усилителя звука класса D

Рисунок 7: Базовый операционный усилитель

Рисунок 8: Базовый усилитель класса D Фильтр нижних частот

Рисунок 9: Сравнение топологии — линейная vs.Класс D

Рисунок 10: Принципиальная схема для волны ШИМ

Рисунок 11: Частоты треугольной и синусоидальной формы

Рисунок 12: Сигнал широтно-импульсной модуляции от операционного усилителя

Рисунок 13: Коммутационный каскад усилителя звука класса D

Рисунок 14: Выходной сигнал каскада переключения

Рисунок 15: Конструкция фильтра для усилителя

Рисунок 16: Выходной аудиосигнал

Основная цель аудиоусилителей заключается в том, чтобы вернуть входной аудиосигнал в звук, производящий выходной сигнал с надлежащими уровнями мощности и желаемыми уровнями громкости, эффективно при низком уровне искажений.Усилители должны обеспечивать очень хорошую выходную частоту в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц. В зависимости от приложения уровни мощности могут варьироваться в наушниках: в милливаттах, в телевизоре или ПК — в ваттах, в домашних стереосистемах и автомобилях — в десятки ватт, а в коммерческих звуковых системах — более чем сто ватт. Таким образом, чтобы заполнить звук в театрах и аудиториях, аудиоусилитель с аналоговой реализацией с использованием прямых линейных транзисторов был использован для создания выходного напряжения, соответствующего входному напряжению.Здесь мы обнаруживаем очень высокий уровень прямого усиления напряжения, если оно является частью контура, очевидно, что усиление возрастет до высокого во всем контуре. Почему, потому что всегда высокое усиление контура всегда улучшает характеристики при искажениях, которые были вызваны нелинейностями в прямом тракте, и снижает шум источника питания за счет отказа источника питания, который увеличивается. (Slone, 1999)

В звуковой структуре усилители мощности являются мостом между громкоговорителем и остальной звуковой системой. В обычном идиоме «усилитель звука» становится сокращенным от «усилитель», а также «усилитель».Но в целом усилители звука (помимо тех, кто определяет головку дисков) действительно являются «драйверами громкоговорителей». А смысл в глобальной неопределенности — в наушниках помимо наушников задействованы. Иногда усилители остаются объединенными динамиками, создавая «активные динамики»; в противном случае они могут быть упакованы с указанным выше оборудованием, например в виде отечественного «интегрированного» Hi-Fi усилителя или + предусилителя, а также полосного «микшера-усилителя». (Дункан, 1996)

Усилитель
класса A — одно из самых простых устройств по сравнению с другими усилителями.Этот усилитель хорошо назван из-за низкого уровня искажений сигнала и обеспечивает наилучшее качество звука на выходе. Простая и веская причина выбрать усилитель класса — это высочайший уровень линейности, работающий на линейных участках характеристической кривой. (Уоткинсон, 2001)

Поскольку в усилителе класса A используется один транзистор, такой как биполярный, полевой транзистор, IGBT и т. Д., Который обычно подключается к конфигурации эмиттера к обеим половинам формы волны с постоянным током, протекающим через транзистор, поскольку без базового сигнала также есть не что иное, как выходная фаза биполярного , MOSFET, IGBT никогда не могут перейти в состояние отсечки или даже в область насыщения, поэтому он неустойчиво пройдет через точку базового смещения Q в середине линии нагрузки.Таким образом, транзистор никогда не мог выключиться или выйти из строя, что является большим подвигом. (Я, 2006)

Рисунок 1: Усилитель звука класса A

Для получения высокой линейности и усиления выход класса A постоянно смещен во включенное состояние, так как он классифицируется как класс A из-за того, что ток холостого хода выходного каскада нулевого сигнала должен быть равен или должен быть больше, чем ток нагрузки, который может быть используется для получения наибольшего выходного сигнала

Класс A эквивалентен источнику тока, потому что он будет работать на линейной части характеристической кривой, а выходной сигнал представляет собой полную форму волны на выходе на 360 градусов.

Здесь наш класс A работает в линейной области, напряжение смещения базы транзистора должно быть выбрано для точной работы и низкого искажения, и все время выход находится в состоянии ВКЛ, который несет непрерывный ток, что говорит о том, что усилитель продолжает потерю мощность

Он создает так много тепла из-за того, что потоки источника питания продолжаются незаметно, добавляя низкий КПД на уровне 30%, что не позволяет им работать при высоком усилении мощности, а также из-за высокого тока холостого хода источник питания имеет размер в соответствии с фильтром, чтобы избегайте числа и других искажений.Таким образом, этот усилитель класса A более эффективен из-за низкого КПД и проблем с перегревом. (Self, Handbook, Audio Power Amplifier Design, 2009)

Когда входной сигнал проходит положительно, транзистор переходит в положительное смещение, а отрицательный транзистор переходит в состояние ВЫКЛЮЧЕНО, вероятно, когда входной сигнал проходит отрицательно, положительный транзистор переходит в состояние ВЫКЛЮЧЕНО и включает транзистор с отрицательным смещением, поэтому был проведен отрицательный сигнал. Таким образом, транзистор проводит только половину времени, когда он находится на положительном или отрицательном уровне входного сигнала
.
Здесь мы можем заметить, что транзистор класса B проводит только половину i.е. 180 градусов, что дает сигнал на выходе. Здесь выходной каскад имеет сигнал на обеих половинах стороны, и эти две половины объединяются и излучают сигнал полной линейной формы выходного сигнала
.

Рисунок 2: Усилитель звука класса B

Конструкция двухтактного усилителя намного эффективнее, чем у усилителя класса A, до некоторой степени здесь основная проблема с усилителем класса B заключается в форме сигнала точки пересечения нуля, это может создавать искажения из-за входного напряжения транзистора с отрицательного нуля.От 7 до положительного 0,7

Как мы уже говорили из руководств, требуется 0,7 В от напряжения базы-эмиттера, чтобы получить биполярный транзистор и провести его. Здесь выходной транзистор не смещен в состояние ВКЛ в
.
Усилитель класса B, пока не будет превышен предел напряжения.

Это ничего, но форма волны находится в пределах 0,7 В, не может быть сгенерирована, чтобы сделать усилитель звука класса B для других приложений

Итак, чтобы устранить подобные искажения, был введен класс AB

Само название говорит о том, что этот усилитель состоит из усилителя класса A и класса B.В наши дни это наиболее часто используемый усилитель для увеличения мощности звука. Здесь, как мы уже говорили, этот класс AB имеет вариацию по сравнению с вышеупомянутым усилителем класса B, за исключением того, что изменение, которое эти оба усилителя проводят одновременно в точках кроссовера форм сигналов, устраняя искажения проблемы кроссовера усилителя класса B
.
Напряжение смещения этих двух транзисторов очень мало и составляет от 5 до 10 процентов для смещения транзистора при токе покоя, который немного выше точки отсечки.Таким образом, это проводящее устройство переходит в состояние ВКЛ либо на полевом транзисторе, либо на биполярном, что превышает уровень полупериода входного сигнала. Здесь, в этом усилителе, как двухтактные, так и двухтактные транзисторы проводят больше половины, чем проводимость в классе B, и меньше, чем проводимость полного цикла класса A.

Это означает, что здесь проводимость класса AB находится в пределах от 180 до 360 градусов, что зависит от ситуации, как мы можем видеть на рисунке.

Рисунок 3: Усилитель звука класса AB

Основное преимущество состоит только в том, чтобы преодолеть искажение кроссовера, создаваемое классом B, которое достигается небольшим смещенным напряжением, соединенным последовательно диодами и резисторами, без учета отрицательных эффектов усилителя класса A.Таким образом, с точки зрения эффективности усилитель класса AB намного лучше по сравнению с усилителем класса A и класса B, достигая энергии преобразования от 50 до 60 процентов.

Усилитель класса G:

Аудиоусилители большей категории с меньшей эффективностью по сравнению с классом B; например, первый класс-AB явно менее эффективен на низком уровне вышеупомянутой мощности, хотя совершенно очевидно, что класс-A практически полностью уничтожает в нем место энергии.Создавать усилители с повышенной эффективностью очень сложно. D-класса, проводить ультразвуковую широтно-импульсной модуляции, мощности высокой эффективности также иногда гладкая доставляет его, а затем снова это неопровержимо проблематичным технологии. Реальная эффективность класса D зависит от схемотехники и особенностей устройства. По-видимому, неизбежный выходной ЖК-фильтр второго порядка наименьшего размера — может только обеспечить плавный отклик на уникальный импеданс нагрузки, тогда его магнитные характеристики не останутся ни уменьшенными, ни легкими для проецирования.Из-за выбросов можно обойти серьезные проблемы с электромагнитной совместимостью. Класс D не является разумным предложением, используемым для превосходных домашних усилителей, которые необходимы с дискретным динамиком с неустановленными характеристиками импеданса.

Нормальный математический спуск КПД класса B за счет затрат на возбуждение синусоидальной волны прямое интегрирование завершает полупериод для расчета внутреннего рассеивания по сравнению с долей напряжения, то есть частью возможного колебания производственного напряжения.Как известно, теперь класс B: максимальное тепловыделение составляет около 40% установленной выходной мощности, при выходном напряжении 63%, что означает, что он также передает 40% сосредоточенной выходной мощности к нагрузке. Арифметика проста, поскольку форма сигнала серьезно не отличается по форме в зависимости от уровня выходного сигнала. Все возможные идеализации остаются предполагаемыми, например, нулевым неактивным током, отсутствием эмиттерных резисторов, отсутствием потерь Vce и так далее. В Class-G, оборудованном дополнительной рукой, формы сигналов остаются серьезной задачей на уровне выходного сигнала, требуя переменных параметров интегрирования и т.д., в дополнение к этому все становится очень тяжелым.Схема разделения мощности, на которой показано, каким образом мощность, исходящая от источника, распределяется между вырождением выходного устройства и ценной мощностью на нагрузке. Никто не возражает, что синусоидальные волны представляют собой плохую симуляцию музыки, используемой для этой цели, и их главное преимущество в том, что они терпят прямой контраст с морально-математическим методом. Тем не менее, в то время как общая цель Class-G заключается в энергосбережении, также переработанная форма волны дает надежный результат.
Усилитель
класса D потребляет очень много энергии.Это связано с тем, что усилитель класса D дает максимальный КПД среди усилителей любых классов, в то время как презентация, особенно популярная в зачете линейности, не столь прилична.

Область запроса на этот усилитель класса D можно приблизительно разделить на две части; выходы высокой и низкой мощности. Здесь зона с низким энергопотреблением достигает, начиная с частичных милливатт (для цифровых средств измерения дальности), примерно до 5 Вт, хотя приложения с большой мощностью будут начинаться от 80 Вт до 1400 Вт.В настоящее время есть примерно перерыв в середине, для цели, которая появится. Поле с низким энергопотреблением содержит такие приложения, как, например, персональные стереосистемы, мобильные телефоны, компьютерные аудиосистемы и ноутбук. Эти урожаи подвижны и заряжены батареями, поэтому экономия энергии очень важна. И основное применение в классе D — это производство звуковой мощности для конкретной низковольтной шины. Очень хороший пример — это National Semiconductor LM4671, интегральная схема (IC) усилителя с одиночным каналом, которая дает около 2.1 Вт через динамик 4 Ом, начиная с шины питания 5 В, потребляя 300 кГц частоты переключения. И это слишком низкое напряжение из-за принципа прямого усилителя мощности, и требует H-мостовой структуры выхода, о которой позже.

Применение усилителей мощности включает усилители PA, системы домашнего кинотеатра и большие сабвуферы. Все они усилены от основного источника питания, поэтому питание не имеет большого приоритета. Поскольку класс D — это баловство, будет потеря минимального размера источника питания и радиатора, что приведет к миниатюрному и идеальному продукту.В автомобильных аудиосистемах мы собираемся использовать аудиосистемы высокой мощности, имеющие мощность более 1000 Вт или 2 Ом. Здесь мы придаем значение минимизации потребления энергии, обеспечивая возможность 12 В, когда двигатель соединяется с генератором переменного тока. Принимая во внимание, что в этих двух областях существует золотая середина, когда усилитель питается от основного источника питания, мы не можем найти такой хороший и надлежащий выход — допустим, стереофонический выход мощностью 30 Вт с сопротивлением 8 Ом на канал. Здесь вы можете наблюдать небольшие радиаторы, чтобы продукт оставался в нашем бюджете, исключая ios, а не нашу главную тему.

История усилителя класса D:

Переходя к технологии, можно подумать, что это история усилителя класса D. В 1950 году этот принцип широко обсуждается, так как сочетание ценных выходных трансформаторов и высоких частот переключения не было большим соблазном. Sinclair X10 в Великобритании — первый усилитель класса D, обеспечивающий выходную мощность 10 Вт благодаря элементарному выходному фильтру, за которым следуют THD 5%, которые очень хорошо справляются с сохранением низкой частоты переключения с последующей нагрузкой.В то время распространенная и серьезная проблема заключалась в том, что пропускная способность биполярных транзисторов была недостаточной для переключения частоты, когда это необходимо, что является основным недостатком класса D, вызывающим слишком большие искажения с временем переключения, а не силовые полевые транзисторы с тех пор класса D. становиться много пропозициональным.

Основные принципы:

По сравнению с классами A B и G класс D немного отличается. В линейном режиме нет выходных устройств в классе D. Они были задействованы для включения и выключения с ультразвуковой частотой.К каждой шине питания был подключен выход, при изменении предела входного сигнала мы можем наблюдать изменение выходного напряжения также из-за выходного фильтра нижних частот или индуктивности громкоговорителя, мы будем выполнять усреднение, здесь мы должны напомнить, что выходное напряжение прямо пропорционально напряжению питания, не имеющему наследования отказа питания на выходном каскаде, где, как и в выходном каскаде класса B, мы можем найти отрицательную обратную связь в диапазоне частот переключения от 50 кГц до 1 МГц. Высокая частота делает выходной сигнал минимальным и менее сложным, но приводит к потере переключения и искажениям.Используя дифференциальный усилитель, мы можем генерировать управляющий сигнал, что является старым методом. Один вход принимается входящим звуковым сигналом, а другой — треугольной формой волны в определенное время и на определенных частотах. (Худ, 1997)

Рисунок 4: Базовая блок-схема усилителя звука класса D

Базовый усилитель класса D показан на рисунке выше, а процесс ШИМ показан на рисунке
ниже.

Рисунок 5: Форма выходного сигнала от усилителя звука класса D

Очевидно, что для устранения искажений используется линейная треугольная волна.Мы можем использовать и другие способы, такие как сигма-дельта-модулятор. Наша цель состоит в том, чтобы генерировать много и много звуковой мощности с низким напряжением питания, таким как 5 В, интегрируя конфигурацию H-Bridge, которая позволяет дважды менять напряжение на нагрузке, а четырехкратная мощность теоретически позволяет усилителю отключиться без выходных конденсаторов из питающий рельс. Этот процесс известен как Big Tied Load (BTL). (Сингмин, 2000).

МОП-транзистор:

MOSFET означает полевой транзистор с металло-оксидным полупроводником, который имеет очень большой вход на сопротивлении затвора через ток, проходящий через канал между истоком, затем стоком, хорошо упорядоченным по напряжению затвора.Из-за этого очень большого входного импеданса, а также усиления, полевые МОП-транзисторы могут быть просто повреждены статическим электричеством в случае отсутствия должной защиты. Полевой транзистор с металлооксидным полупроводником идеально подходит для электронных переключателей, работающих на заказ, а также для усилителей с общим истоком, поскольку потребляемая мощность слишком мала. Типичные области применения металлооксидных полупроводниковых полевых транзисторов в памяти, микропроцессорах, логических КМОП вентилях, калькуляторах и т. Д.

А также, на плакате с базовой схемой ниже, что пунктирная линия внутри символа обозначает, как правило, представление вида улучшения «ВЫКЛ», ток «НЕТ» может течь по каналу после подачи нулевого напряжения затвор-исток (VGS). .Здесь непрерывная непрерывная линия внутри метки указывает на очень нормальный случай «ВКЛ» для отображения типа истощения, когда конкретный ток «CAN» течет по каналу также с нулевым уровнем напряжения затвора. Для типа p-канала символы в обеих формах выглядят одинаково, за исключением темы стрелки, направленной наружу. Это также можно обобщить в приведенной ниже таблице переключений.

МОП-транзистор типа В _GS = + ve В _GS = 0 В _GS = -ve

Истощение N-канала ПО НА ВЫКЛ.

Расширение N-канала ПО ВЫКЛ. ВЫКЛ.

Истощение P-канала ВЫКЛ. НА НА

Расширение P-канала ВЫКЛ. ВЫКЛ. НА

Здесь n-тип полевых МОП-транзисторов расширенного типа и положительный затвор с напряжением «ВКЛ» транзистор, тогда при нулевом напряжении на затворе транзистор будет отключен.И усиление P-канала полевого МОП-транзистора, напряжение затвора -Ve включает транзистор, а также нулевое напряжение затвора, здесь состояние транзистора будет «ВЫКЛЮЧЕНО». Точка напряжения, в которой этот MOSFET-транзистор отправляет ток по каналу, остается определяемой через пороговое напряжение VTH для устройства.

Полевые транзисторы

До сих пор мы использовали транзисторы в качестве усилительных устройств, при твердотельном переключателе в областях насыщения и отсечки мы использовали работу транзистора, а для включения / выключения постоянного тока мы использовали полевые транзисторы, такие как светодиоды, которые потребляют немного. тока миллиампер

Здесь по сравнению с переходным полевым транзистором металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор отличается.Электрические поля, создаваемые при напряжениях на уровне затвора, использовались полевыми МОП-транзисторами, электроны n-канала и отверстия p-канала всегда изменялись потоком носителей заряда напряжением затвора через сток, в очень тонком изолирующем слое поверх электрода затвора. и под электродами стока и истока находилась пара маленьких n областей

Мы наблюдали ранее, что JFET смещен в обратном направлении, чтобы создать p n-переход с помощью устройства MOSFET с изолированным переходом, имеющего положительную или отрицательную полярность.(Мальвино и Бейтс, 2007)

Благодаря этому в нашем электронном переключателе MOSFET без какого-либо смещения и непроводящих устройств получения тока напряжения с очень небольшой величиной, P-канальные и n-канальные MOSFET существуют в двух основных формах (S.W.AMOS, 1959)

Это устройство, которое включает все операции для целей усиления и наиболее часто используется для преобразования сигналов, фильтрации и выполнения операций, связанных с математикой, таких как сложение, вычитание, интегрирование, а также дифференцирование.Это устройство усиления напряжения, имеющее резисторы и конденсаторы в качестве компонентов обратной связи между их входом и выходом, они в основном используются при работе усилителя с различными конфигурациями и выполняют широкий спектр операций. Как правило, это трехконтактное устройство, содержащее входы с очень высоким сопротивлением, которые являются инвертирующими и неинвертирующими входами, за которыми следуют отрицательные и положительные знаки. (Huijsing, 2011)

Рисунок 7: Базовый операционный усилитель

Клемма 3, обозначенная выходным портом усилителя, как приемник, так и источник, может иметь напряжение или ток.В линейном операционном усилителе выходной сигнал представляет собой коэффициент усиления, известный как коэффициент усиления усилителя (A), умноженный на значение входного сигнала, и в зависимости от природы этих входных и выходных сигналов может быть четыре различных классификации операционных усиление усилителя.

Третий вывод — это выходной порт, который используется как для источника, так и для приема напряжения или тока. Выходной сигнал — это не что иное, как коэффициент усиления в усилителях, который известен как усиление, где входной сигнал умножается на входное значение в зависимости от этих входов и выходов, существует четыре усилителя.(Нельсон, 1995)

Ток = ток на входе и на выходе

Транс-проводимость = напряжение на входе и ток на выходе

Trans сопротивление = ток на входе и напряжение на выходе

Напряжение = Напряжение IN и Напряжение OUT

Сигнал выходного напряжения операционного усилителя — это разница между сигналами, подаваемыми на его два отдельных входа. Ясно сказано, что сигнал усилителя — это разница между двумя входными сигналами в каскаде усилителя сигнала id и в формате мостового выпрямителя, и использование усилителя класса D не приведет к огромной экономии средств.В этом усилителе не были оправданы модификации и основные элементы в этой области для использования. Как правило, класс D существует в виде одной ИС с разными выходными каскадами, может обнаруживать вероятность сложности внутри схемы, и его нельзя кратко обсуждать, чтобы планировать и проектировать усилители класса D не так уж и эффективно. (Багг, 1991)

Чтобы удалить излучение, возникающее на частотах переключения усилителей, мы используем выходной фильтр, чтобы повысить эффективность кабелей внешних динамиков.Чтобы позволить некоторой части энергии частоты переключения от индуктивности громкоговорителя и, наконец, перейти на землю, вызывая потери, поскольку некоторые приложения интегрированной малой мощности не содержат выходных фильтров. Обычно фильтры максимального класса D содержат LC-фильтр второго порядка в середине громкоговорителя и усилителя. Для лучшего выхода мы выбираем частоту с максимальной равномерностью, особенно когда мы используем низкий импеданс и отдельные громкоговорители усилитель класса D спроектирован таким образом, на основе правдоподобных предположений, требуются типичные значения индуктивности на 10 мкГн-50 мк, что намного больше, чем 1 мкГн. Катушки с воздушным сердечником 2 мкГн для обеспечения стабильности при требуемых нагрузках в усилителе класса B.Поэтому в обязательном порядке мы используем индукторы с ферритовым сердечником, и для исключения насыщения необходимо соблюдать максимальную осторожность. (Темес и Митра, 1973)

Зачем нужен фильтр в усилителях класса D:

Выход усилителя класса D представляет собой сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с обменом через рабочий цикл, который модулируется звуковым сигналом. И результат содержит выбранные частоты полосы звукового диапазона и более высокие частоты, связанные с широтно-импульсной модуляцией или частотой преобразования.В усилителях класса D обычно требуется пропускать сигнал этого типа через фильтр нижних частот для цитирования аудиоконтента. Здесь фильтр нижних частот обычно состоит из последовательной катушки индуктивности и конденсатора, подключенного к земле. В усилителях класса D положительный (OUT +) и отрицательный (OUT–) оба выхода постоянно сдвинуты по фазе с коэффициентом заполнения 50% при нулевом входном сигнале. В результате на нагрузку постоянно подается полное напряжение на выходе, что вызывает относительно очень высокий ток, а также большое рассеивание мощности на нагрузке при отсутствии фильтра.И КПД усилителя класса D также снижается без какого-либо фильтра, а также случайным образом увеличивается ток покоя. Импеданс динамика также включает в себя индуктивность, но в основном резистивную, тогда как LC-фильтр почти исключительно чувствителен. А LC-фильтр через частоту среза, меньшую, чем частота коммутации класса D, позволяет току коммутации проходить через него и фильтровать нагрузку. Фильтр имеет меньшее сопротивление по сравнению с динамиком, благодаря чему уменьшается рассеиваемая мощность и повышается эффективность.(Bozic & Chance, 1998)
Усилители
класса D обычно используют фильтр нижних частот для ослабления конкретного переключения шума в форме выходного сигнала, несмотря на то, что аудиосигнал попадает в громкоговоритель. Шаг в используемом фильтре усилителя класса D представляет собой фильтр нижних частот L-C. Частота среза в фильтре, выбранном из-за этого фильтра, может иметь минимальный эффект при желаемом выходе частотного диапазона, хотя, насколько это возможно, ослабляя переключающий шум.

Рисунок 8: Базовый усилитель класса D Фильтр нижних частот

Сигнал с ШИМ-переключением, содержащий рабочий сигнал, который был модулирован звуковым сигналом, является выходом усилителя класса D, относящегося к ШИМ, он включает более высокие частоты и полосы частот.В обычном усилителе класса D сигнал обязательно должен проходить через фильтр нижних частот для получения желаемого аудиоконтента. В фильтре нижних частот конденсатор и фильтр подключены последовательно, а затем заземлены, положительный и отрицательный выходы всегда находятся в противофазе с 50% -ным рабочим циклом, даже когда применяется нулевой вход. Таким образом, мы всегда можем подавать выходное напряжение полной нагрузки, которое всегда приводит к возникновению высокого напряжения и тока, без использования какого-либо фильтра, без фильтра мы можем снизить эффективность и увеличить ток покоя, и, очевидно, индуктивность будет присутствовать на импедансе динамика в целом. он резистивный, а LC-фильтр полностью реактивный.Обычно LC-фильтр, имеющий частоту среза, имеющую небольшую величину по сравнению с частотой переключения класса D, позволяет пропускать ток переключения для прохождения через фильтр вместо нагрузки, поскольку по сравнению с фильтром динамика имеет очень низкое сопротивление, которое снижает рассеиваемую мощность и увеличивает частоту. Чтобы ослабить коммутационный шум на уровне выходного сигнала при обработке аудиосигнала в направлении громкоговорителя, усилители класса D используют фильтр нижних частот, но, как я считаю, для расчета и выполнения различных компонентов в классе D многие инженеры не точно процесс.Поскольку LC-фильтр нижних частот является сердцем усилителя класса D. Чтобы получить минимальное влияние на желаемую выходную частоту, обычно мы выбираем фильтр с угловой частотой. На рисунке ниже показано меньшее затухание и низкий уровень шума переключения. (Темес и Митра, Современная теория и конструкция фильтров, 1973)

Фильтр низких частот:

Оптимальное значение для индуктивного фильтра —

L — это RL / 2πfc

Здесь fc = частота среза в фильтре

RL означает сопротивление нагрузки

В зависимости от импеданса динамика значение индуктивности изменяется

Здесь нам нужно рассчитать емкость и индуктивность независимо.Для этого сначала нужно найти подходящее значение индуктора и выбрать близкое значение. Тогда лучше рассчитать значение емкости, используя значение индуктивности.

Емкость (C) = 1 / ((2πfc) 2 • L)

Здесь коэффициент качества (Q) в фильтре — это отношение в центре частоты в полосе пропускания фильтра.

Q (коэффициент качества) = RL√ (C / 2L)

Высокая добротность и низкая добротность создают кривые с недостаточным и избыточным демпфированием. Диапазон фильтра должен составлять 0,6> Q> 0,8, чтобы избежать недостаточного демпфирования, когда уравнения объясняют примерно 0.7, который обеспечивает хорошие характеристики и допускает изменение импеданса в динамиках, здесь Q — это изменение фильтра, если импеданс динамика изменяется без регулировки значений компонентов фильтра, что приводит к чрезмерному или заниженному демпфированию.

Мы не можем получить точный выходной сигнал, выбрав точный LC-фильтр, но для выбора конкретных подходящих компонентов для усилителя класса D, чтобы устранить потери и искажения на уровнях гармоник, постоянный ток катушки индуктивности должен быть больше или равен максимальному выходному току, разница между индуктивностью и током нагрузки не должна превышать.Мы даже можем определить потери на гистерезис в зависимости от материала сердечника. Поэтому всегда конденсатор должен быть выполнен из многослойного полиэстера, поликарбоната или даже из полипропиленовой пленки. В фильтре нижних частот лучше избегать керамических конденсаторов, тогда как в керамических конденсаторах происходит большое изменение напряжения, которое в конечном итоге вызывает искажения.

Здесь мы обсуждаем отличия усилителя класса D от других усилителей. Первое главное отличие — эффективность. Это точная причина для разработки усилителей класса D, другие усилители были очень хорошими с точки зрения производительности, но имели половину неэффективности, тогда как усилитель класса D намного более эффективен, со значениями, разработанными в практических конструкциях.

Здесь мы четко видим разницу между усилителями класса D и другими усилителями. Эффективность — это первое и главное отличие, которое породило усилители класса D. С точки зрения производительности все они очень линейны, имея половину неэффективности при эффективности по сравнению с усилителями класса D. Ниже приведены кривые, различающиеся по всем параметрам.

Рисунок 9: Сравнение топологии — линейная по сравнению с классом D

Gain = Здесь коэффициент усиления постоянен для разных уровней напряжения на шине, но коэффициент усиления усилителя класса D пропорционален напряжению на шине.Это не что иное, как коэффициент отклонения источника питания, очень низкий и линейный, это связано с тем, что они используют колебания напряжения шины обратной связи, энергия всегда будет направлена в сторону нагрузки от источника питания в полном мосту и имеет два или более направленных потока в полумосте для накачки шины критерии, которые помогают заряжать конденсаторы шины.

Во-первых, полевые транзисторы имеют ненулевое сопротивление даже при сильном включении. Обычно он находится в диапазоне от 100 до 200 мОм и может удваиваться при повышении температуры устройства от 0 до 150 ° C, последняя является обычной максимальной рабочей температурой.Это сопротивление вызывает I

I2R потерь. Во-вторых, устройства вывода имеют ненулевое время включения и выключения. В период, когда полевой транзистор включается или выключается, он имеет промежуточное значение сопротивления, которое снова вызывает I

I2R потерь. Важно минимизировать паразитную индуктивность в цепях стока и истока, поскольку это не только увеличивает время переключения, но и вызывает переходные процессы напряжения при выключении, которые могут перенапрягать транзистор. В-третьих, обратные импульсы, генерируемые индуктивной нагрузкой, могут привести к тому, что проводимость паразитных диодов будет иметь относительно длительное время обратного восстановления, и будет течь больше тока, чем необходимо.Чтобы предотвратить это, во многих конструкциях класса D между выходной линией и шинами питания подключены фиксирующие диоды Шоттки. Они включаются при более низком напряжении, чем паразитные диоды на полевых транзисторах, и имеют дело с обратными импульсами. У них также гораздо более быстрое время восстановления.

Последним и, пожалуй, самым опасным является явление, известное как «прострел». Этот несколько непрозрачный термин относится к ситуации, когда один полевой транзистор не прекратил проводить до начала другого. Это приводит к почти прямому короткому замыканию между шиной питания, хотя и очень кратковременно, по цепи «мертвого времени».Введение искажения увеличения мертвого времени, поэтому применяется только минимум; задержки 40 нс достаточно для создания более 2% THD в синусоиде 1 кГц

В полевых транзисторах ненулевой эффект, когда они включены, существует в диапазоне от 100 до 200 мОм, когда температура устройства увеличивается, она также может быть увеличена. Это приводит к потерям IR и содержит ненулевые точки переключения. Поэтому совершенно необходимо избегать этих потерь на стоке и истоке, а также генерации обратных импульсов с длительным обратным временем восстановления, когда проводимость требует большего тока.Для устранения этих проблем усилители класса D содержат фиксирующие диоды Шоттки, подключенные между выходной линией и шинами питания. Таким образом, из-за этого низкого напряжения генерируется, когда существуют обратные импульсы, а также более быстрое время восстановления очень разумно. Это явление известно как сквозное сквозное проникновение, которое довольно опасно в этом состоянии, мы должны остановить один полевой транзистор, пока другой запускается, в противном случае произойдет короткое замыкание, в результате чего схема будет отключена, и это приведет к увеличению искажений, и может быть применен минимальный вход, создающий синусоиду 1 кГц

Подача мгновенного на выходной ток

Лучшая реализация, чем другие усилители

Большая рассеиваемая мощность даже в большинстве линейных выходных каскадов

Вырабатывает меньше тепла, места и затрат за счет меньшего рассеивания мощности

Увеличивает срок службы батареи.(Худ Дж. Л., 1999)

Диссертация посвящена проектированию, моделированию и изготовлению цифрового усилителя звука с использованием электронных дискретных компонентов. И в первую очередь необходимо разработать подходящую принципиальную схему для выполнения требований. Затем необходимо спроектировать эту схему на одном из инструментов электронного тестирования Multisim, позже необходимо проверить работающий вывод, используя опцию моделирования в Multisim, если есть какая-либо ошибка подключения, необходимо изменить и подключить надлежащим образом, а также Лучше проверить правильность подключения после подключения лучше посмотреть на панели инструментов осциллографа, что вывод, который выводится на экран, находится в правильном направлении, что означает выполнение требований диссертации или отсутствие необходимости в ином изменении подключений снова, а также значения компонентов, которые использовались в проектирование схем на Multisim и после получения надлежащего вывода с помощью программного обеспечения Multisim, необходимо преобразовать ту же схему на макетную плату, чтобы сэкономить деньги, если есть изменения, которые необходимо сделать перед печатью печатной платы, потому что через некоторое время несколько схем будут показывать правильные вывод для компонентов, который используется в Multisim, но из-за некоторых компонентов или компонентов компании не даст того же вывода, который показан в t осциллограф в Multisim.

Для экономии времени и денег лучше производить схему на макетной плате, один раз, если макетная плата также работает так же, как Multisim, тогда хорошо перейти на печатную плату, если нет необходимости изменять значения компонентов или компонентов, которые подходят на основе цели и приложения проекта.

компонентов, необходимых для проектирования цифрового усилителя звука класса D, как указано ниже.

Генератор функций

Операционный усилитель (LM318D)

Источник постоянного напряжения (12В)

Источник постоянного напряжения (15В)

MOSFET канал N (NTE4153NT1G)

MOSFET канал P (NTE4151PT1G)

Для изготовления фильтра нижних частот второго порядка

Индуктор

Конденсатор

Нагрузка (на этапе моделирования нужен резистор)

В аппаратном исполнении нужен динамик

А также необходимы соединительные провода в макетной стадии исполнения
Процессор
: после рисования подходящей принципиальной схемы необходимо нарисовать и запустить в Multisim для перехода ко всем приложениям на лабораторных компьютерах, щелкнуть по конкретному факультету и выбрать национальные инструменты.В национальных инструментах перейдите в пакет схемотехники 14.0 и выберите вариант версии Multisim 14.0. С этого момента необходимо разработать требуемую схему, сначала необходимо выбрать необходимые компоненты для схемы, которая доступна в командах. Для этой схемы сначала нужен вход аудиосигнала, для этого необходимо выбрать генератор синусоидальных сигналов с места источника, выбрать мощность переменного тока и разместить на плате, которая отображается в Multisim, а затем разместить генератор треугольных волн, также эти две волны необходимо подключить к операционному усилителю. .Для размещения операционного усилителя поместите аналог, а затем выберите подходящий операционный усилитель для требований, которым соответствует LM318D, и перетащите этот компонент на плату проектирования. Здесь необходимо подключить генератор синусоидальных сигналов к контакту 3, а генератор треугольных волн — к контакту 2. К контактам 7 и 4 Vcc и Vee соответственно. К этим двум нужно подключить один к источнику напряжения + Ve, а другой к источнику напряжения –Ve. Здесь для проверки мгновенного выхода, поступающего с обоих входов и усиленного сигнала в операционном усилителе, можно увидеть, подключен ли осциллограф рядом с выходным контактом операционного усилителя.После подключения осциллографа нажмите кнопку моделирования, которая находится в верхней части конструкции, и посмотрите, какой выходной сигнал должен находиться в режиме широтно-импульсной модуляции, в противном случае необходимо вернуться и проверить соединения входов и значений в генераторе синусоидальных сигналов и генераторе треугольных волн.

После получения широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигнал перейдет в стадию переключения. Для проектирования коммутационного каскада здесь нужны два полевых МОП-транзистора. Один должен принадлежать к каналу N, а другой — к каналу P.После проверки нескольких транзисторов NTE4153NT1G и NTE4151PT1G, эти два подходят для требуемого применения. Для размещения этих двух полевых МОП-транзисторов введите команду транзистора, выберите эти два полевых МОП-транзистора и поместите их рядом с операционным усилителем. Выходной сигнал от операционного усилителя, напрямую подключенного к этим двум полевым МОП-транзисторам, также требует источника напряжения, которое составляет около + 15ve и -15ve соответственно. Для проверки коммутационного выхода переключающего каскада лучше подключать осциллограф рядом с коммутационным каскадом и перед фильтром нижних частот.Если коммутируемый здесь сигнал успешно переходит к этапу фильтрации, в противном случае необходимо еще раз проверить соединения и компоненты на этапе переключения. При фильтрации необходимо выбрать правильные значения, подходящие для данной схемы и значения входного сигнала. Обычно усилители звука класса D нуждаются в фильтре нижних частот второго порядка для предотвращения шума от каскада переключения, причина выбора фильтра нижних частот второго порядка зависит от входного сигнала и частоты среза. Здесь необходимо подключить последовательное соединение частей RLC с подходящими значениями, которые рассчитываются ниже, и снова смоделировать всю схему с подключением осциллографа и наблюдать конечный результат в самом конце осциллографа.Основываясь на требованиях и структуре схемы, здесь необходимо получить синусоидальную волну с небольшим шумообразованием, которое возникает практически из-за звуков природы или общих звуков. Но в моделировании для получения этого шума мы можем подключить дополнительный входной сигнал непосредственно перед операционным усилителем и рядом с синусоидой или синусоидой. После успешного выполнения в Multisim самое время протестировать на макетной плате ту же схему, прежде чем переходить к печатной плате (PCB).И здесь также необходимо подключить то же соединение, что и в схеме, но здесь необходимо физически предоставить генератор синусоидальных сигналов и генератор треугольных волн, которые доступны в электронной лаборатории из генератора функций. А также в месте нагрузки нужно подключить динамик для прослушивания на выходе. В месте ввода мы можем предоставить микрофон для подачи входного сигнала, который составляет менее 20 кГц, что является максимальным звуковым сигналом, который может слышать. И, наконец, необходимо запустить сигнал на основе входных сигналов и наблюдать за выходом во внешнем подключенном осциллографе схемы.После успешного завершения моделирования макета необходимо выполнить печать на печатной плате.

Первый этап моделирования для разработки схемы, здесь создание схемы шаг за шагом. И на первом этапе необходимо получить широтно-импульсную модуляцию и схему для этого, как показано ниже.

Рисунок 10: Принципиальная схема для волны ШИМ

Здесь, на приведенной выше принципиальной схеме, синусоидальный аудиовход 1 кГц задан как один из входов операционного усилителя и сигнал генератора треугольной волны 50 кГц, а источник напряжения также подключен к Vcc и Vee соответственно.

Значение частоты как в аудиосигнале, так и в треугольном сигнале, как показано в полях ниже на снимках экрана.

Рисунок 11: Частоты треугольной и синусоидальной формы

Выходной сигнал операционного усилителя, как показано на скриншоте ниже для вышеуказанной схемы. И вот удачная форма волны широтно-импульсной модуляции для аудиоусилителя класса D.

Рисунок 12: Сигнал широтно-импульсной модуляции от операционного усилителя

И после получения широтно-импульсной модуляции перейдите к этапу переключения схемы, здесь сигнал должен переключить сигнал для состояний ВЫКЛ и ВКЛ.И схема, разработанная для этого, как показано ниже,

Рисунок 13: Коммутационный каскад усилителя звука класса D

Выходной сигнал каскада переключения будет переключать сигнал, и сигнал будет выглядеть, как указано ниже,

Рисунок 14: Выходной сигнал каскада переключения

А затем для устранения шума сигнала здесь необходимо использовать фильтр нижних частот второго порядка и конструкцию фильтра, как показано ниже.

LC = 12πfc

20к = 12 × 3.14LC

LC = 1 (2 × 3,14 × 20 тыс.) 2

LC = 63,32 × 10-12

C = 1 мкФ

L = 63,32 мкГн

И дизайн фильтра этой схемы, как показано на скриншоте ниже

Рисунок 15: Конструкция фильтра для усилителя

В соответствии с расчетами значений индуктивности и емкости, как показано выше, уравнение расположило индуктивность, емкость и нагрузку, затем необходимо снова запустить схему в последний раз и нажать на осциллограф, выход должен быть таким, как показано на снимке экрана ниже,

Рисунок 16: Выходной аудиосигнал

Проектирование, моделирование и изготовление аудиоусилителя класса D частично соответствует развитию широтно-импульсной модуляции и коммутации сигнала в каскаде переключения, а также созданию фильтра нижних частот второго порядка, также разработанного в этой диссертации.Если выполнить на макетной плате и печатной плате, и есть шанс получить эффективность более 90%, а также возможно получить сигнал с меньшим шумом на конечном выходе. Из-за нехватки времени и позднего начала моей диссертации я не могу завершить практическую работу, есть возможность завершить практическую работу, но у меня нет точных компонентов, которые я использовал при проектировании схемы в Multisim.

Божич, С. М., и Чанс, Р. Дж. (1998). Цифровые фильтры и обработка сигналов в электронной технике: теория, приложения, архитектура, код. Чичестер: Издательство Хорвуд ,.

Багг, Д. В. (1991). Электроника: схемы, усилители и вентили.

Дункан Б. (1996). Высокопроизводительные усилители мощности звука: для исполнения и воспроизведения музыки. Бостон: Newnes.

Худ, Дж. Л. (1997). Клапанные и транзисторные усилители звука.

Худ, Дж. Л. (1999). Аудио электроника. Оксфорд: Newnes.

Хуэйсинг, Дж. Х. (2011). Операционные усилители: теория и конструкция. (2-е изд.). ЛОНДОН: спрингер.

Мальвино, А. П., и Бейтс, Д. Дж. (2007). Электронные принципы (7-е издание). ЛОНДОН: Высшее образование Макгроу-Хилл.

Нельсон, Дж. К. (1995). Схемы операционных усилителей: расчет и проектирование. Бостон: Баттерворт-Хайнеманн.

S.W.AMOS. (1959). Принципы транзисторных схем (Восьмое издание). Оксфорд, Соединенное Королевство: S.W.Amos.

Селф, Д. (2006). Руководство по проектированию усилителя мощности звука. Джордан Хилл: Дуглас Селф.

Селф, Д. (2009). Справочник, Конструкция усилителя мощности звука (5-е издание). Джордан Хилл, Великобритания: Elsevier Ltd.

Сингмин, А. (2000). Практические проекты схем аудиоусилителей.

Слон, Г. Р. (1999). Руководство по сборке мощного аудиоусилителя: от 50 до 500 Вт для перфекциониста звука. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл ,.

Темес, Г. К., и Митра, С. К. (1973). Теория и конструкция современных фильтров.

Темес, Г. К., и Митра, С. К. (1973). Современная теория и конструкция фильтров. Лондон: Wiley-Interscience.

Уоткинсон, Дж. (2001). Искусство цифрового звука. (3-е издание). Оксфорд: Focal Press.

555 Усилитель мощности класса D [130144-I]

В этом проекте мне нравится создавать небольшой усилитель класса D на основе микросхемы таймера 555. Мне также нравится использовать только «общие» компоненты, поэтому этот проект имеет большую образовательную ценность и его легко построить.Моя цель — обеспечить мощность около 5 Вт RMS на 4 Ом. Уровень искажений должен быть менее 1%. Описание схемы ВЕРСИЯ1 (см. Принципиальную схему ниже)

В этом проекте мне нравится создавать небольшой усилитель класса D на основе микросхемы таймера 555. Мне также нравится использовать только «общие» компоненты, поэтому этот проект имеет большую образовательную ценность и его легко построить.

Моя цель — обеспечить мощность около 5 Вт RMS на 4 Ом. Уровень искажений должен быть менее 1%.

Описание схемы ВЕРСИЯ1 (см. Принципиальную схему ниже)

Чтобы построить усилитель класса D, мы должны преобразовать аналоговый сигнал в цифровой.На самом деле нам нравится использовать импульс с модулированным сигналом, который следует за аналоговым аудиосигналом. Таким образом, мы можем очень эффективно включать и выключать 2 силовых полевых МОП-транзистора.

Я использую NE555 как сердце кодировщика PWM. На входе у нас есть стандартный вход транзистора NPN (Q4), смещенный на R10 и R9. C1 блокирует весь постоянный ток на входе. Идея состоит в том, чтобы модулировать способ загрузки зарядного конденсатора C3 аналоговым аудиосигналом.

В большинстве стандартных синхронизирующих конфигураций 555 синхронизирующий конденсатор заряжается постоянным напряжением, что приводит к серьезным нелинейностям, особенно на высоких выходных уровнях.Чтобы улучшить линейность, я заряжаю синхронизирующий конденсатор постоянным током. Поэтому я использую источник тока на входе (Q3, R2 и R7) и преобразователь напряжения в ток в цепи обратной связи 555. (Q1, Q2, R1 и R3) Таким образом мы получаем реальную треугольную волну на C3. (см. изображение ниже «сигнал на C3 no signal.jpg»)

Частота колебаний 555 составляет около 300 кГц.

Выходным сигналом является сигнал ШИМ 0–18 В, который включает и выключает M1 и M2.

D1, D2, R4 и R5 имеют дело с таймингами «включено» и «выключено» и избегают одновременного включения M1 и M2 (и избегают короткого замыкания источника питания).R12, R14 и Q5 образуют цепь обратной связи, которая еще больше улучшает линейность и уровни искажений. L1 и C4 — это ФНЧ около 25 кГц, удаляющие все высокочастотные компоненты переключения.

Я использую для тестирования блок питания ноутбука SMPS на 18 В (дешевый). Изначально в динамике был шум переключения. Поэтому я добавляю катушку на 100 мкГн, чтобы отфильтровать это. Работает нормально!

Я собрал эту схему на стандартной тестовой плате и очень доволен результатом. Звук «прямой» и «чистый» для меня, с плотными басами! Я получаю среднеквадратичную мощность около 6 Вт, что хорошо для моей первой попытки> J У меня нет оборудования для измерения искажений, поэтому я не уверен, что моя цель

. Что касается эффективности, радиатор крут на всех уровнях, поэтому это должно быть хорошо.

Я приложил несколько изображений и, конечно же, схему, а также несколько отпечатков выходного прямоугольного сигнала и волны зарядного конденсатора. Я также добавил короткое видео о amp @ work. Не беспокойтесь о плохом качестве звука в фильме; это плохое качество микрофона моей камеры> J

Возможные улучшения (VERSION2 tbc)

Силовые МОП-транзисторы должны управляться напряжением 18 В, чтобы они были полностью насыщены (и включены), если я подниму напряжение питания на МОП-транзисторы и при напряжении 18 В от 555 МОП-транзисторы сильно нагреваются, поскольку не включаются полностью.Здесь рекомендуется использовать схему переключения уровня напряжения.

Я проведу несколько тестов с микросхемой IR2110, чтобы достичь этого, может быть, есть дискретное решение? Может с «накачкой заряда»?

Теперь мы используем «полумостовую» конфигурацию с двумя полевыми МОП-транзисторами, поэтому нам нужен большой выходной конденсатор, я провел несколько тестов с полной мостовой конфигурацией (4 полевых МОП-транзистора) в SPICE, но я получил много перекрестных искажений. Требуется дополнительное расследование по этому поводу….

Любая помощь, предложения или подсказки по улучшению этого проекта приветствуются!

Конструкция усилителя класса D и компоновка печатной платы | Блоги
Захария Петерсон
| & nbsp Создано: 13 ноября 2020 г. & nbsp | & nbsp Обновлено: 13 ноября 2020 г.
Усилители
могут быть всех форм и размеров, в зависимости от их полосы пропускания, энергопотребления и многих других факторов.Конструкция усилителя класса D обычно используется с аудиосистемами высокого качества, а схемы усилителя класса D не так уж сложно построить в виде схемы. Если вы никогда не работали с усилителем класса D или ищете интересный аудиопроект, следуйте инструкциям по этой компоновке печатной платы.

Простой прототип усилителя класса D

Плата, которую я представлю здесь, имеет более сложную схему, чем макет, но это то, что вы можете создать на основе другой проверенной конструкции.Центральным компонентом этой платы является безиндукторный аудиоусилитель TPA3138D2 класса D. Схема, которую я покажу, аналогична модулю коммутации для этого компонента, но некоторые отличия помогут обеспечить подавление шума и электромагнитную совместимость. Кроме того, гнезда с банановыми зажимами на коммутационной плате были заменены стандартными аудиоразъемами 3,5 мм.

Схема

Эта схема содержит множество компонентов, сгруппированных вокруг одной ИС, как показано ниже на рис. 1 . В этом типе компоновки можно дождаться завершения схемы, прежде чем назначать позиционные обозначения; Таким образом, на схеме под компонентами видны красные полосы погрешностей.Просто игнорируйте их, пока они исчезнут после того, как вы назначите уникальные обозначения.
Рисунок 1. Схема усилителя класса D мощностью 10 Вт
Выбор детали

Помимо основного стерео усилителя динамика TPA3138D2 класса D, не так много специальных шагов, которые необходимо выполнить, прежде чем мы сможем перейти к разводке печатной платы. Первое, что нам нужно сделать, это взять компонент TPA3138D2 из панели поиска деталей производителя. Отсюда мы можем разместить его прямо на пустой схеме и начать добавлять другие пассивы в устройство.
Рисунок 2. Обнаружение TPA3138D2 на панели «Поиск деталей производителя» в Altium Designer.
Следует выбрать другие пассивные элементы, чтобы обеспечить соответствующую выходную мощность (резисторы) и напряжение с соответствующей емкостью. Поскольку нас не беспокоят очень высокие частоты в этом усилителе, мы можем использовать электролитические конденсаторы.

Обозначения

Что касается назначения позиционных обозначений, вам следует постараться организовать их, особенно если вы будете использовать несколько листов в своем проекте.Я начинал назначать позиционные обозначения в верхнем левом углу схемы и продвигался по диагонали по листу. Вы также можете заменить разъемы на некоторые порты, указывающие на другие листы, если хотите использовать эту схему в более обширной системе.

Дифференциальный выход

Если вы внимательно посмотрите на схему, вы заметите, что левый и правый выходы представляют собой дифференциальные пары. Здесь я мог бы разместить директиву дифференциальной пары, если бы нам нужно было применить большое количество правил проектирования к нескольким дифференциальным сигналам.Я оставил это здесь, так как нас не беспокоит маршрутизация с контролем импеданса. Нам нужно только обеспечить согласование длины этих сигналов, что достаточно легко сделать на макете печатной платы.

Мощность

Обратите внимание, что я не размещал на этой плате регулировку мощности. Тем не менее, вы, безусловно, можете добавить к схемам регулятор мощности, если он может обеспечивать максимальную выходную мощность до 18,5 Вт, как указано в таблице данных TPA3138D2. Вы можете добавить простой регулятор мощности в другую схему и импортировать его на плату, чтобы обеспечить питание 5 В.На этой плате я добавлю мощность через контактный заголовок, чтобы упростить задачу.

Схема расположения печатной платы

Хотя схема выглядит немного перегруженной, основным компонентом, который необходимо размещать и тщательно разводить, является TPA3138D2, а также трассы, проложенные к нашим входным / выходным разъемам. Перед тем, как приступить к разводке, есть несколько важных правил ЭМС, которым мы хотели бы следовать, чтобы предотвратить вывод низкоуровневого шума на динамики, подключенные к этой плате.

Поскольку мы не имеем дело с чрезвычайно высокими скоростями (только с полосой пропускания до ~ 1 МГц для медленных сигналов ШИМ), мы должны следовать некоторым стандартным рекомендациям по PI, EMI и EMC при планировании разводки печатной платы.

Power : используйте сплошную заземляющую пластину на внутреннем слое и держите плоскости подальше от краев печатной платы. Для этой платы вы можете использовать силовой самолет, но мы не работаем с очень большим током, поэтому в этом нет необходимости. Вместо этого я буду использовать толстые дорожки для разводки мощности от разъема питания к компонентам и для разводки от выхода усилителя к разъемам динамиков.

Маршрутизация : Делайте выходные дорожки усилителя до динамика как можно короче. Эти следы и провода громкоговорителей будут крупнейшими источниками излучаемых электромагнитных помех.

Caps : В этом типе низкоскоростной конструкции обычной рекомендацией является использование конденсаторов 1 нФ с низким ESR рядом с микросхемой TPA3138D2, чтобы гасить колебания земли и минимизировать паразитную индуктивность. Есть два больших конденсатора (0,1 мФ / 50 В) на входе контактов PVCC в верхней левой части микросхемы TPA3138D2 (см. , рисунок 1, ).Радиальные конденсаторы можно использовать, чтобы они занимали мало места на плате. Для среднечастотного шума, вызванного ШИМ-сигналом и его переходными процессами, вы также можете использовать конденсатор 0,1 мкФ, расположенный как можно ближе к выводам PVCC.

Parasitics : Здесь мы больше всего беспокоимся о том, чтобы индуктивность контура оставалась небольшой для критических трасс. Это еще одна причина использовать сплошное заземление и разместить выход динамика рядом с усилителем.

Радиатор : При сопротивлении 4 или 8 Ом (стандартное сопротивление динамика) и номинальной выходной мощности вам может потребоваться применить тепловую стратегию.Наличие заземляющего слоя под модулем помогает, но TPA3138D2 достаточно большой, чтобы на нем можно было разместить небольшой радиатор.

На рисунке 3 ниже показан готовый макет в 3D (для доступа к нему нажмите «3» на клавиатуре с открытым редактором плат). Стратегия, которую я использовал, заключается в том, чтобы разместить выходные разъемы у края платы и работать в обратном направлении к порту питания. После размещения выходных разъемов я разместил усилитель TPA3138D2, проложил дорожки между выходами усилителя и динамика и разместил оставшиеся пассивные элементы вокруг них.Наконец, я сохранил разъем питания в нижней левой части платы. Если вы хотите установить на плате импульсный регулятор, это будет хорошим местом для него, поскольку он находится далеко от дорожек аудиовыхода.
Рис. 3. Готовое расположение компонентов в 3D.
На рис. 4 вы найдете двухмерную компоновку печатной платы. Эта плата была спроектирована на двух уровнях и состояла из нескольких многоугольников для обеспечения питания секции усилителя. На этой плате проще всего провести толстые дорожки к выходам громкоговорителей с помощью многоугольной заливки.Нижний слой содержит сплошную заземляющую плоскость, а в компоновке размещено несколько переходных ограждений, чтобы обеспечить некоторую изоляцию между левой и правой сторонами платы. Вы заметите, что верхний слой также был заполнен землей, чтобы обеспечить экранирование входных аудиосигналов.
Рис. 4. Схема печатной платы для нашей конструкции усилителя класса D.
Следует отметить большие области медного заполнения, ведущие к выходным разъемам. Этих дорожек немного излишне для этой платы, но плата будет нести большую мощность, поэтому можно выбрать более объемные дорожки, чтобы поддерживать низкую температуру.Напротив, следы на входной стороне намного меньше, поскольку мы предполагаем, что входной сигнал будет довольно низким уровнем.

Если вас устраивает конструкция и компоновка усилителя класса D, вы можете использовать производственные функции в Altium Designer®, чтобы подготовить плату к изготовлению и сборке. Вы также можете поделиться своей новой платой со своими коллегами или производителем на Altium 365®. Мы только прикоснулись к тому, что можно делать с Altium Designer на Altium 365.Вы можете проверить страницу продукта для более подробного описания функций или на одном из веб-семинаров по запросу.

Как работают усилители класса D?

Усилитель класса D работает, принимая аналоговый входной сигнал и создавая его копию с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) — по сути, последовательность импульсов, которые соответствуют амплитуде и частоте входного сигнала. В своей основной форме схема компаратора используется для согласования входного сигнала с сигналом ШИМ.Затем сигнал ШИМ усиливается выходным каскадом, работающим в режиме переключения, то есть есть два состояния, включено или выключено, с очень высокой скоростью, соответствующие импульсам ШИМ. Для сравнения, выходные каскады линейного усилителя видят непрерывную форму волны и, во избежание искажений, включены более половины формы волны (класс A / B) или полной формы волны (класс A), что значительно снижает эффективность и выделяет тепло. .

Усиленный сигнал ШИМ проходит фильтрацию нижних частот, чтобы восстановить форму звукового сигнала и устранить паразитный ультразвуковой шум перед его выводом на динамики.Этот процесс кажется цифровым, но на самом деле является аналоговым по своей природе. Сигнал не оцифровывается, т. Е. Ему не присваивается числовое значение; Последовательность импульсов ШИМ является «аналогом» входного аудиосигнала. Что отличает усилители Rotel класса D от других моделей на рынке, так это инновации в области генерации высокоточного ШИМ-сигнала (COM, что означает Controlled Oscillation Modulation) и в цепях обратной связи (MECC, Multivariable Enhanced Cascade Control) для обеспечения стабильная характеристика фильтра, несмотря на переменное сопротивление громкоговорителей.Проще говоря, это означает, что наши усилители класса D предлагают полную полосу пропускания при очень низком уровне искажений в «реальных» приложениях — точно так же, как наши линейные усилители, но с преимуществами меньшего размера, охлаждения и гораздо большей энергоэффективности.

Почему на рынке нет большего количества усилителей класса D? Во-первых, создание стабильных цепей класса D с полной полосой пропускания при одновременном контроле побочных продуктов RF / EMI непросто. У немногих компаний есть технологические ноу-хау для этого. Это также требует широкого использования устройств поверхностного монтажа (SMD), что снова делает его недоступным для большинства производителей аудио.

No related posts.

МОП-транзистор типа	В _GS = + ve	В _GS = 0	В _GS = -ve
Истощение N-канала	ПО	НА	ВЫКЛ.
Расширение N-канала	ПО	ВЫКЛ.	ВЫКЛ.
Истощение P-канала	ВЫКЛ.	НА	НА
Расширение P-канала	ВЫКЛ.	ВЫКЛ.	НА

Усилитель класса D | Микросхема

Преимущества усилителей D класса

Цифровой или все-таки импульсный?!

Кратко о принципе работы усилителя

Ключевые рекомендации

Практическая часть: схема усилителя класса D

Делаем усилитель низкой частоты класса «D». Часть1 | Электроника — это не просто!…

Транзисторный УНЧ класса D с выходной мощностью 60Ватт

Мощный УНЧ D класса

Усилитель класса D 100 Вт « схемопедия

Усилители D-класса на микросхемах MAXIM

Усилитель МАХ 9712

Усилитель МАХ 9770

Сабвуферный усилитель класса D на основе TL494

, работа, формы сигналов, теория работы

Усилитель мощности класса D.

Генератор пилообразных сигналов.

Компаратор.

Коммутационная цепь.

Фильтр нижних частот.

Преимущества усилителя класса D.

Недостатки усилителя класса D.

Усилитель высокой мощности класса D D4K5

Улучшенные методы коррекции ошибок для безфильтрового цифрового усилителя мощности звука класса D на основе FCLNF

1. Введение

2. Коррекция ошибок FCLNF + FFPSNS

2.1. Принцип анализа исправления ошибок FCLNF

2.2. Принцип анализа исправления ошибок FCLNF + FFPSNS

2.3. Схема улучшенного метода коррекции ошибок

2.4. Моделирование и анализ результатов

Доступность данных

Конфликт интересов

Благодарности

Проектирование и моделирование усилителя звука класса D

История усилителя класса D:

Основные принципы:

Зачем нужен фильтр в усилителях класса D:

Фильтр низких частот:

555 Усилитель мощности класса D [130144-I]

Конструкция усилителя класса D и компоновка печатной платы | Блоги

Простой прототип усилителя класса D

Схема

Выбор детали

Обозначения

Дифференциальный выход

Мощность

Схема расположения печатной платы

Как работают усилители класса D?

Оставить комментарийОтменить комментарий