Усилитель класса D или коммутационный усилитель — это электронный усилитель , в котором усилительные устройства (транзисторы, обычно МОП-транзисторы ) работают как электронные переключатели, а не как линейные усилительные устройства, как в других усилителях. Они работают, быстро переключаясь между шинами питания, используя широтно-импульсную модуляцию , модуляцию плотности импульсов или связанные с ними методы для создания выходной последовательности импульсов. Простой фильтр нижних частот может использоваться для ослабления их высокочастотного содержимого для обеспечения аналогового выходного тока и напряжения. В усилительных транзисторах рассеивается мало энергии, поскольку они всегда либо полностью включены, либо полностью выключены, поэтому эффективность может превышать 90%.
Первый усилитель класса D был изобретен британским ученым Алеком Ривзом в 1950-х годах и впервые был назван так в 1955 году. Первым коммерческим продуктом был модульный комплект под названием X-10 , выпущенный Sinclair Radionics в 1964 году. Однако он имел выходную мощность всего 2,5 Вт . Sinclair X-20 в 1966 году производил 20 Вт, но страдал от несоответствий и ограничений германиевых биполярных транзисторов, доступных в то время. В результате эти ранние усилители класса D были непрактичными и неудачными. Практические усилители класса D стали возможны благодаря разработке технологии кремниевых MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор). В 1978 году Sony представила TA-N88, первый блок класса D, в котором использовались мощные MOSFET и импульсный источник питания . Впоследствии, между 1979 и 1985 годами, наблюдалось быстрое развитие технологии MOSFET. Доступность недорогих, быстро переключающихся MOSFET привела к тому, что усилители класса D стали успешными в середине 1980-х годов. [1] Первая интегральная схема на основе усилителя класса D была выпущена компанией Tripath в 1996 году и получила широкое распространение. [2]
Усилители класса D работают, генерируя последовательность прямоугольных импульсов фиксированной амплитуды, но с переменной шириной и разделением. Эта модуляция представляет собой изменения амплитуды аналогового входного аудиосигнала. В некоторых реализациях импульсы синхронизированы с входящим цифровым аудиосигналом, что устраняет необходимость преобразования сигнала в аналоговый. Затем выход модулятора используется для попеременного включения и выключения выходных транзисторов. Поскольку транзисторы либо полностью включены, либо полностью выключены, они рассеивают очень мало мощности. Простой фильтр нижних частот, состоящий из индуктора и конденсатора, обеспечивает путь для низких частот аудиосигнала, оставляя высокочастотные импульсы позади.
Структура силового каскада класса D сопоставима со структурой синхронно выпрямленного понижающего преобразователя , типа неизолированного импульсного источника питания (SMPS). В то время как понижающие преобразователи обычно функционируют как регуляторы напряжения , подавая постоянное напряжение постоянного тока в переменную нагрузку, и могут только подавать ток, усилитель класса D подает постоянно изменяющееся напряжение в фиксированную нагрузку. Коммутирующий усилитель может использовать любой тип источника питания (например, автомобильный аккумулятор или внутренний SMPS), но определяющей характеристикой является то, что сам процесс усиления работает путем переключения.
Теоретическая эффективность усилителей класса D составляет 100%. То есть вся подаваемая на него мощность подается на нагрузку, и никакая не преобразуется в тепло. Это происходит потому, что идеальный переключатель во включенном состоянии не встречал бы никакого сопротивления и проводил бы весь ток без падения напряжения на нем, следовательно, никакая мощность не рассеивалась бы в виде тепла. А когда он выключен , на нем было бы полное напряжение питания, но через него не протекал бы ток утечки, и снова никакая мощность не рассеивалась бы. Реальные силовые МОП-транзисторы не являются идеальными переключателями, но для усилителей класса D характерны практические КПД, значительно превышающие 90%. Напротив, линейные усилители класса AB всегда работают как с протекающим током, так и с напряжением, стоящим на силовых устройствах. Идеальный усилитель класса B имеет теоретический максимальный КПД 78%. Усилители класса A (чисто линейные, с устройствами, всегда хотя бы частично включенными ) имеют теоретический максимальный КПД 50%, а некоторые конструкции имеют КПД ниже 20%.
Двухуровневая форма сигнала получается с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), модуляции плотности импульсов (иногда называемой частотно-импульсной модуляцией), управления скользящим режимом (чаще называемой автоколебательной модуляцией [3] ) или дискретных по времени форм модуляции , таких как дельта-сигма-модуляция [4] .
Простым способом создания сигнала ШИМ является использование высокоскоростного компаратора (« C » на блок-схеме выше), который сравнивает высокочастотную треугольную волну с аудиовходом. Это генерирует серию импульсов, рабочий цикл которых прямо пропорционален мгновенному значению аудиосигнала. Затем компаратор управляет драйвером затвора МОП, который, в свою очередь, управляет парой высокомощных транзисторов переключения (обычно МОП-транзисторы ). Это создает усиленную копию сигнала ШИМ компаратора. Выходной фильтр удаляет высокочастотные компоненты переключения сигнала ШИМ и восстанавливает аудиоинформацию, которую может использовать динамик.
Усилители на основе DSP, которые генерируют сигнал ШИМ непосредственно из цифрового аудиосигнала (например, SPDIF ), либо используют счетчик для измерения длительности импульса [5] , либо реализуют цифровой эквивалент треугольного модулятора. В любом случае временное разрешение, обеспечиваемое практическими тактовыми частотами, составляет всего несколько сотых периода переключения, что недостаточно для обеспечения низкого уровня шума. По сути, длина импульса квантуется , что приводит к искажению квантования . В обоих случаях отрицательная обратная связь применяется внутри цифровой области, образуя формирователь шума , что приводит к снижению уровня шума в слышимом диапазоне частот.
Две существенные проблемы проектирования схем драйверов MOSFET в усилителях класса D — это сохранение мертвых времен и работы в линейном режиме как можно короче. Мертвое время — это период во время переключения, когда оба выходных MOSFET переводятся в режим отсечки и оба выключены . Мертвое время должно быть как можно короче, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низкими искажениями, но слишком короткое мертвое время приводит к тому, что включающийся MOSFET начинает проводить до того, как выключающийся MOSFET перестает проводить, и MOSFET эффективно закорачивают выходной источник питания через себя в состоянии, известном как прострел .
Управляющая схема также должна переключать MOSFET как можно быстрее, чтобы минимизировать время, в течение которого MOSFET находится в линейном режиме — состоянии между режимом отсечки и режимом насыщения, когда MOSFET не полностью включен и не полностью выключен и проводит ток со значительным сопротивлением, создавая значительное тепло. Отказы, которые допускают сквозной режим или слишком много работы в линейном режиме, приводят к чрезмерным потерям и иногда к катастрофическому отказу MOSFET. [6]
При модуляции ШИМ с фиксированной частотой, когда (пиковое) выходное напряжение приближается к любой из шин питания, ширина импульса может стать настолько узкой, что это поставит под сомнение способность схемы драйвера и МОП-транзистора реагировать. Эти импульсы могут быть всего несколько наносекунд и могут привести к проскоку и нагреву из-за работы в линейном режиме. Другие методы модуляции, такие как модуляция плотности импульсов, могут достигать более высоких пиковых выходных напряжений, а также большей эффективности по сравнению с ШИМ с фиксированной частотой.
Усилители класса D предъявляют дополнительные требования к своему источнику питания, а именно, чтобы он мог поглощать энергию, возвращающуюся от нагрузки. Реактивные (емкостные или индуктивные) нагрузки накапливают энергию в течение части цикла и высвобождают часть этой энергии обратно позже. Линейные усилители рассеивают эту энергию, усилители класса D возвращают ее в источник питания, который должен каким-то образом иметь возможность ее накапливать. Кроме того, полумостовые усилители класса D передают энергию с одной шины питания (например, положительной шины) на другую (например, отрицательную) в зависимости от знака выходного тока. Это происходит как с резистивными, так и с реактивными нагрузками. Источник питания должен либо иметь достаточно емкостного накопителя на обеих шинах, либо иметь возможность передавать эту энергию на другую шину. [7]
Активные устройства в усилителе класса D должны действовать только как управляемые переключатели и не должны иметь особенно линейный отклик на управляющий вход. Обычно используются МОП-транзисторы.
Фактический выход усилителя зависит не только от содержания модулированного ШИМ-сигнала. Ряд источников могут вносить ошибки. Любое изменение напряжения питания напрямую модулирует амплитуду выходного напряжения. Ошибки мертвого времени делают выходное сопротивление нелинейным. Выходной фильтр имеет сильно зависящую от нагрузки частотную характеристику.
Эффективным способом борьбы с ошибками, независимо от их источника, является отрицательная обратная связь . Контур обратной связи, включающий выходной каскад, можно сделать с помощью простого интегратора. Для включения выходного фильтра используется ПИД-регулятор , иногда с дополнительными интегрирующими членами. Необходимость подачи фактического выходного сигнала обратно в модулятор делает прямую генерацию ШИМ из источника SPDIF непривлекательной. [8]
Смягчение тех же проблем в усилителе без обратной связи требует решения каждой из них отдельно в источнике. Модуляцию источника питания можно частично устранить путем измерения напряжения питания для регулировки усиления сигнала в рамках преобразования ШИМ. [9] Искажения можно уменьшить путем более быстрого переключения. Выходное сопротивление нельзя контролировать иначе, как через обратную связь.
Главное преимущество усилителя класса D заключается в том, что он может быть более эффективным, чем линейный усилитель, рассеивая меньше мощности в виде тепла в активных устройствах. Учитывая, что большие радиаторы не требуются, усилители класса D намного легче усилителей классов A, -B или -AB, что является важным соображением для портативного оборудования систем звукоусиления и басовых усилителей .