Усилитель класса D или импульсный усилитель — это электронный усилитель , в котором усилительные устройства (транзисторы, обычно MOSFET ) работают как электронные переключатели, а не как устройства с линейным коэффициентом усиления, как в других усилителях. Они работают путем быстрого переключения между шинами питания, используя широтно-импульсную модуляцию , плотностно-импульсную модуляцию или аналогичные методы для создания выходной последовательности импульсов. Для ослабления их высокочастотного содержания можно использовать простой фильтр нижних частот и обеспечить аналоговый выходной ток и напряжение. В усилительных транзисторах рассеивается мало энергии, поскольку они всегда либо полностью открыты, либо полностью выключены, поэтому КПД может превышать 90%.
Первый усилитель класса D был изобретен британским ученым Алеком Ривзом в 1950-х годах и впервые получил это имя в 1955 году. Первым коммерческим продуктом был комплектный модуль под названием X-10 , выпущенный Sinclair Radionics в 1964 году. Однако он имел выходная мощность всего 2,5 Вт . Sinclair X-20 в 1966 году производил 20 Вт, но страдал от несоответствий и ограничений доступных в то время транзисторов с биполярным переходом на основе германия . В результате эти ранние усилители класса D оказались непрактичными и неудачными. Практические усилители класса D стали возможны благодаря разработке технологии MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) на основе кремния . В 1978 году Sony представила TA-N88, первое устройство класса D, в котором использовались силовые МОП-транзисторы и импульсный источник питания . Впоследствии в период с 1979 по 1985 год произошло быстрое развитие технологии МОП-транзисторов. Доступность недорогих быстропереключающихся МОП-транзисторов привела к тому, что усилители класса D стали успешными в середине 1980-х годов. [1] Первая интегральная схема на базе 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 различной ширины и разделения. Эта модуляция представляет собой изменения амплитуды входного аналогового аудиосигнала. В некоторых реализациях импульсы синхронизируются с входящим цифровым аудиосигналом, что устраняет необходимость преобразования сигнала в аналоговый. Выход модулятора затем используется для поочередного включения и выключения выходных транзисторов. Поскольку транзисторы либо полностью открыты, либо полностью выключены, они рассеивают очень небольшую мощность. Простой фильтр нижних частот, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора, пропускает низкие частоты аудиосигнала, оставляя высокочастотные импульсы позади.
Структура силового каскада класса D сравнима со структурой синхронно-выпрямленного понижающего преобразователя , типа неизолированного импульсного источника питания (SMPS). В то время как понижающие преобразователи обычно действуют как регуляторы напряжения , подавая постоянное напряжение постоянного тока на переменную нагрузку и могут генерировать только ток, усилитель класса D подает постоянно меняющееся напряжение на фиксированную нагрузку. Импульсный усилитель может использовать любой тип источника питания (например, автомобильный аккумулятор или внутренний импульсный источник питания), но определяющей характеристикой является то, что сам процесс усиления осуществляется путем переключения.
Теоретический КПД усилителей класса D составляет 100%. Другими словами, вся подаваемая на него мощность передается в нагрузку и ни одна из них не используется для нагрева. Это связано с тем, что идеальный переключатель во включенном состоянии не будет встречать сопротивления и проводить весь ток без падения напряжения на нем, следовательно, никакая мощность не будет рассеиваться в виде тепла. А когда он выключен , на нем будет присутствовать полное напряжение питания, но через него не будет течь ток утечки, и опять же, мощность не будет рассеиваться. Реальные силовые МОП-транзисторы не являются идеальными переключателями, но для усилителей класса D характерен практический КПД более 90%. Напротив, линейные усилители класса AB всегда работают как с протекающим через них током, так и с постоянным напряжением на силовых устройствах. Идеальный усилитель класса B имеет теоретический максимальный КПД 78%. Усилители класса А (чисто линейные, с устройствами, всегда хотя бы частично включенными ) имеют теоретический максимальный КПД 50%, а некоторые конструкции имеют КПД ниже 20%.
Двухуровневая форма сигнала формируется с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), плотностно-импульсной модуляции (иногда называемой частотно-импульсной модуляцией), управления скользящим режимом (чаще называемой автоколебательной модуляцией [3] ) или дискретного времени . формы модуляции, такие как дельта-сигма-модуляция . [4]
Простой способ создания сигнала ШИМ — использовать высокоскоростной компаратор (« C » на блок-схеме выше), который сравнивает высокочастотный треугольный сигнал с аудиовходом. При этом генерируется серия импульсов, рабочий цикл которых прямо пропорционален мгновенному значению аудиосигнала. Затем компаратор управляет драйвером МОП-затвора, который, в свою очередь, управляет парой мощных переключающих транзисторов (обычно МОП-транзисторов ). Это создает усиленную копию ШИМ-сигнала компаратора. Выходной фильтр удаляет высокочастотные коммутационные компоненты 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 длины импульса [5] , либо реализуют цифровой эквивалент модулятора на основе треугольника. В любом случае временное разрешение, обеспечиваемое практическими тактовыми частотами, составляет всего несколько сотых периода переключения, чего недостаточно для обеспечения низкого уровня шума. По сути, длина импульса квантуется , что приводит к искажению квантования . В обоих случаях внутри цифровой области применяется отрицательная обратная связь, образующая формирователь шума , что приводит к снижению шума в слышимом диапазоне частот.
Две важные проблемы при проектировании схем драйвера MOSFET в усилителях класса D — это максимально короткое время простоя и работа в линейном режиме. Мертвое время — это период во время коммутационного перехода, когда оба выходных МОП-транзистора переводятся в режим отсечки и оба выключены . Мертвые времена должны быть как можно короче, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низкими искажениями, но слишком короткие мертвые времена приводят к тому, что включающийся МОП-транзистор начинает проводить ток до того, как выключающийся МОП-транзистор перестанет проводить ток, и МОП-транзисторы начнут эффективно работать. закоротите выходной источник питания через себя в состоянии, известном как сквозное замыкание .
Схема управления также должна переключать МОП-транзисторы как можно быстрее, чтобы минимизировать время, в течение которого МОП-транзистор находится в линейном режиме — состоянии между режимом отсечки и режимом насыщения, когда МОП-транзистор не полностью открыт и не полностью выключен и проводит ток с значительное сопротивление, создавая значительное тепло. Неисправности, которые допускают сквозной режим или слишком большую работу в линейном режиме, приводят к чрезмерным потерям, а иногда и к катастрофическому выходу из строя МОП-транзисторов. [6]
При ШИМ-модуляции с фиксированной частотой, когда (пиковое) выходное напряжение приближается к любой из шин питания, ширина импульса может стать настолько узкой, что усложняется способность схемы управления и МОП-транзистора реагировать. Эти импульсы могут длиться всего несколько наносекунд и могут привести к прострелам и нагреву из-за работы в линейном режиме. Другие методы модуляции, такие как модуляция плотности импульсов, могут обеспечить более высокие пиковые выходные напряжения, а также большую эффективность по сравнению с ШИМ с фиксированной частотой.
Усилители класса D предъявляют дополнительные требования к источнику питания, а именно, чтобы он мог поглощать энергию, возвращающуюся от нагрузки. Реактивные (емкостные или индуктивные) нагрузки накапливают энергию в течение части цикла и позже отдают часть этой энергии обратно. Линейные усилители рассеивают эту энергию, усилители класса D возвращают ее в источник питания, который каким-то образом сможет ее сохранить. Кроме того, полумостовые усилители класса D передают энергию от одной шины питания (например, положительной) к другой (например, отрицательной) 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 усилителя класса D должны действовать только как управляемые переключатели и не должны иметь особенно линейной реакции на управляющий вход. Обычно используются МОП-транзисторы.
Фактическая выходная мощность усилителя зависит не только от содержания модулированного ШИМ-сигнала. В ряде источников могут быть ошибки. Любое изменение напряжения питания непосредственно модулирует выходное напряжение по амплитуде. Ошибки мертвого времени делают выходное сопротивление нелинейным. Выходной фильтр имеет частотную характеристику, сильно зависящую от нагрузки.
Эффективным способом борьбы с ошибками, независимо от их источника, является отрицательная обратная связь . Контур обратной связи, включающий выходной каскад, можно создать 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 непривлекательной прямую генерацию ШИМ из источника SPDIF . [8]
Для устранения тех же проблем в усилителе без обратной связи необходимо решать каждую из них отдельно в источнике. Модуляцию источника питания можно частично отменить путем измерения напряжения питания для регулировки усиления сигнала в рамках преобразования ШИМ. [9] Искажения можно уменьшить, если переключаться быстрее. Выходным сопротивлением можно управлять только посредством обратной связи.
Основное преимущество усилителя класса D заключается в том, что он может быть более эффективным, чем линейный усилитель, поскольку рассеивает меньше мощности в виде тепла в активных устройствах. Учитывая, что большие радиаторы не требуются, усилители класса D намного легче, чем усилители классов A, B или AB, что является важным фактором при использовании портативного оборудования системы звукоусиления и усилителей баса .