Қосулы негізіндегі аудио күшейткіш

Кіріспе

Коммутацияға негіделген аудио күшейткіш

D класындағы күшейткіш немесе коммутациялық күшейткіш – күшейткіш құрылғылары (транзисторлар, әдетте MOSFET) басқа күшейткіштердегідей сызықтық күшейту құрылғылары ретінде емес, электрондық коммутаторлар ретінде жұмыс істейтін электрондық күшейткіш. Олар импульстық ендікті модуляция, импульстық тығыздықты модуляция немесе осыған ұқсас техникаларды қолданып, импульстық тізбек шығысын жасау үшін, қуат көзінің полюстері арасында жылдам ауысып-тұру арқылы жұмыс істейді. Аналогтық шығыс тогы мен кернеуін алу үшін олардың жоғары жиілікті құрамын әлсірету үшін қарапайым төмен өткіргіш сүзгі қолданылуы мүмкін. Күшейткіш транзисторларда аз энергия жұмсалады, себебі олар әрқашан толығымен қосылған немесе толығымен өшірілген күйде болады, сондықтан тиімділік 90%-дан асып кетуі мүмкін.

Тарих

Бірінші D класты күшейткішті британдық ғалым Алек Ривз 1950-ші жылдары ойлап тапты және алғаш рет 1955 жылы осылай аталды. Алғашқы коммерциялық өнім 1964 жылы Sinclair Radionics компаниясы шығарған X 10 деп аталған жинақталған модуль болды. Дегенмен, оның шығыс қуаты бар болғаны 2,5 ваттты құрады. 1966 жылы шыққан Sinclair X 20 20 ватт қуат өндірді, бірақ сол кездегі германий негізіндегі биполярлы тоқпен басқарылатын транзисторлардың тұрақсыздығы мен шектеулеріне тап болды. Осының салдарынан, бұл D класты алғашқы күшейткіштер тиімді болмады және сәтсіздікке ұшырады. D класты күшейткіштерді іске қосу кремний негізіндегі MOSFET (металл-оксид-жартылай өткізгіш өрістік эффект транзисторы) технологиясын дамытуға байланысты болды. 1978 жылы Sony TA N88 ұсынды, ол қуатты MOSFET-тері мен коммутациялық қуат көзін қолданған алғашқы D класты құрылғы болды. 1979 мен 1985 жылдар аралығында MOSFET технологиясы қарқынды дамыды. Төмен құнмен, жылдам ауысатын MOSFET-тердің қолжетімділігі 1980-ші жылдардың ортасында D класты күшейткіштердің табысқа ие болуына әкелді. D класты күшейткішке негізделген алғашқы интегралды схеманы Tripath компаниясы 1996 жылы шығарды және ол кеңінен қолданысқа енді.

Негізгі жұмыс

D класындағы күшейткіштер тұрақты амплитудалы, бірақ ені мен арақашықтығы өзгеретін тіктөртбұрышты импульстар тізбегін жасау арқылы жұмыс істейді. Бұл модуляция аналогтық аудио кіріс сигналының амплитудалық өзгерістерін көрсетеді. Кейбір жағдайларда импульстар кіріс цифрлық аудио сигналымен синхрондалады, сигналды аналогқа түрлендіру қажеттілігін жояды. Модулятордың шығысы шығыс транзисторларын кезекпен қосу және өшіру үшін қолданылады. Транзисторлар толығымен қосылған немесе толығымен өшірілген болғандықтан, олар өте аз қуатты шығындайды. Индуктор мен конденсатордан тұратын қарапайым төмен өткізгіш сүзгісі аудио сигналының төмен жиіліктеріне өтуге мүмкіндік береді, ал жоғары жиілікті импульстарды тоқтатып тұрады. D класындағы қуат сатысының құрылымы синхронды түзетілген buck түрлендіргішімен (converter) салыстыруға болады, ол оқшауланбаған импульстіқ қуат көзінің (SMPS) бір түрі. Buck түрлендіргіштері әдетте кернеуді реттегіштер ретінде жұмыс істейді, өзгермелі жүктемеге тұрақты ток жеткізеді және тек ток көзі бола алады, ал D класындағы күшейткіш тұрақты жүктемеге үздіксіз өзгеретін кернеуді жеткізеді. Импульстіқ күшейткіш кез келген қуат көзін (мысалы, автомобиль аккумуляторын немесе ішкі SMPS) пайдалана алады, бірақ күшейту процесінің өзі импульстіқ ауысу арқылы жүзеге асырылады – осы ерекшелік анықтамалық болып табылады. D класындағы күшейткіштердің теориялық қуат тиімділігі 100% құрайды. Яғни, оған берілген барлық қуат жүктемеге жеткізіледі және ешқайсысы жылуға айналмайды. Себебі, идеалды импульстіқ ауысу толығымен қосылған күйде кедергісіз ток өткізеді және кернеудің төмендеуі болмайды, сондықтан жылу ретінде қуат шығындалмайды. Ал өшірілген кезде, оған толық қуат кернеуі түседі, бірақ тоқ ағыны болмайды, демек қуат та шығындалмайды. Нақты қуатты MOSFET-тер идеалды импульстіқ ауысу емес, бірақ D класындағы күшейткіштер үшін 90% -дан жоғары тиімділік жиі кездеседі. Керісінше, AB класындағы сызықтық күшейткіштерде ток әрқашан ағып тұрады және қуат құрылғыларында кернеу болады. B класындағы идеалды күшейткіштің теориялық максималды тиімділігі 78% құрайды. A класындағы күшейткіштер (таза сызықтық, құрылғылар әрқашан кем дегенде жартылай қосылған) теориялық максималды тиімділігі 50% құрайды, ал кейбір конструкциялардың тиімділігі 20% -дан төмен.

Class D amplifiers work by generating a train of rectangular pulses of fixed amplitude but varying width and separation. This modulation represents the amplitude variations of the analog audio input signal. In some implementations, the pulses are synchronized with an incoming digital audio signal removing the necessity to convert the signal to analog. The output of the modulator is then used to turn the output transistors on and off alternately. Since the transistors are either fully on or fully off, they dissipate very little power. A simple low pass filter consisting of an inductor and a capacitor provides a path for the low frequencies of the audio signal, leaving the high frequency pulses behind. The structure of a class D power stage is comparable to that of a synchronously rectified buck converter, a type of non isolated switched mode power supply (SMPS). Whereas buck converters usually function as voltage regulators, delivering a constant DC voltage into a variable load, and can only source current, a class D amplifier delivers a constantly changing voltage into a fixed load. A switching amplifier may use any type of power supply (e. g., a car battery or an internal SMPS), but the defining characteristic is that the amplification process itself operates by switching. The theoretical power efficiency of class D amplifiers is 100%. That is to say, all of the power supplied to it is delivered to the load and none is turned to heat. This is because an ideal switch in its on state would encounter no resistance and conduct all the current with no voltage drop across it, hence no power would be dissipated as heat. And when it is off, it would have the full supply voltage across it but no leakage current flowing through it, and again no power would be dissipated. Real world power MOSFETs are not ideal switches, but practical efficiencies well over 90% are common for class D amplifiers. By contrast, linear AB class amplifiers are always operated with both current flowing through and voltage standing across the power devices. An ideal class B amplifier has a theoretical maximum efficiency of 78%. Class A amplifiers (purely linear, with the devices always at least partially on) have a theoretical maximum efficiency of 50% and some designs have efficiencies below 20%.

Сигналды модуляциялау

2 деңгейлі толқын формасы импульс енін модуляциялау (PWM), импульс тығыздығын модуляциялау (кейде импульс жиілігін модуляциялау деп аталады), жылдамдық режимін басқару (көбінесе өзіндік тербеліс модуляциясы деп аталады) немесе дельта-сигма модуляциясы сияқты дискреттік уақыт модуляциясы арқылы туынды алынады. PWM сигналын жасаудың қарапайым жолы – жоғары жиілікті үшбұрышты толқынды аудио кіріспен салыстыратын жоғары жылдамдықты салыстырғыш ("C" жоғарыдағы блок-схемада). Бұл аудио сигналының сәттік мәніне тікелей пропорционал жұмыс циклымен импульстер тізбесін жасайды. Салыстырғыш, өз кезегінде, MOS шлюз драйверін басқарады, ол жоғары қуатты коммутациялық транзисторлардың (әдетте MOSFET) жұбын басқарады. Бұл салыстырғыштан алынған PWM сигналының күшейтілген көшірмесін шығарады. Шығыс сүзгісі PWM сигналының жоғары жиілікті коммутациялық компоненттерін жояды және динамик пайдалана алатын аудио ақпаратты қайта жасайды. PWM сигналын тікелей цифрлық аудиосигналдан (мысалы, SPDIF) жасайтын DSP негізделген күшейткіштер импульс ұзындығын өлшеу үшін санаушыны немесе үшбұрышқа негізделген модулятордың цифрлық баламасын пайдаланады. Екі жағдайда да, практикалық сағат жиіліктерімен қамтамасыз етілетін уақыт шешімі ауысу периодының бірнеше жүзден бір бөлігін ғана құрайды, бұл төмен шу деңгейін қамтамасыз ету үшін жеткіліксіз. Нәтижесінде импульс ұзындығы квантталады, квантталу бұрмалануына әкеледі. Екі жағдайда да, теріс кері байланыс цифрлық доменде қолданылады, шуды қалыптастырушы құрылады, бұл естілетін жиілік диапазонында шуды азайтуға мүмкіндік береді.

Қосу жылдамдығы

D класындағы күшейткіштердегі MOSFET драйверлік схемаларының екі маңызды жобалау қиындығы – өлі уақытты және сызықтық режимде жұмысты мүмкіндігінше қысқа ұстап тұру болып табылады. Өлі уақыт – екі шығыс MOSFET-тің де тоқтату режиміне ауысуы және екеуінің де сөніп тұрған кезеңі. Төмен бұрмалаулы шығыс сигналын дәл сақтау үшін өлі уақыт мүмкіндігінше қысқа болуы керек, бірақ тым қысқа өлі уақыт, қосылатын MOSFET тоқтаудан бұрын өткізгіштікке кірісуіне және MOSFET-тер өзара қысқа тұйықталып, қуат көзін қысқа тұйықтау жағдайына (shoot-through) әкелуі мүмкін. Басқару схемасы сондай-ақ MOSFET-терді сызықтық режимде болу уақытын азайту үшін мүмкіндігінше жылдам ауыстыруы керек – бұл MOSFET-тің толық қосылмаған немесе толық сөнбеген, маңызды кедергімен ток өткізетін және айтарлықтай жылу тудыратын тоқтату режимі мен қанығу режимі арасындағы күй. Shoot-through-ға немесе тым көп сызықтық режимде жұмыс істеуге мүмкіндік беретін ақаулар, артық шығындарға және кейде MOSFET-тердің күйреуіне әкелуі мүмкін. Белгілі жиілікті PWM модуляциясында (жоғарғы) шығыс кернеуі қуат көзінің біріне жақындағанда, импульс ені драйверлік схема мен MOSFET-тің жауап беру қабілетіне сын болуы мүмкін. Бұл импульстар бірнеше наносекундқа дейін қысқа болуы мүмкін және сызықтық режимде жұмыс істеуден туындаған shoot-through және қызуға себеп болуы мүмкін. Импульстік тығыздық модуляциясы (pulse density modulation) сияқты басқа модуляциялау әдістері, тұрақты жиілікті PWM-мен салыстырғанда, жоғары шығыс кернеулерін және тиімділікті ұлғайтуға мүмкіндік береді.

Электрмен жабдықтаудың құрылымы

D класындағы күшейткіштер қуат көзіне қосымша талап қояды, атап айтқанда, жүктемеден қайта оралатын энергияны қабылдай білуі керек. Реактивті (сыйымдылық немесе индуктивті) жүктемелер циклдың бір бөлігінде энергияны жинақтап, кейін оның бір бөлігін қайтарады. Сызықтық күшейткіштер бұл энергияны ысыратады, ал D класындағы күшейткіштер оны қуат көзіне қайтарады, ол осы энергияны қандай да бір жолмен жинақтауға қабілетті болуы керек. Сонымен қатар, жартылай көпірлі D класындағы күшейткіштер шығыс тогының таңбасына байланысты энергияны бір қуат рельсінен (мысалы, оң рельс) екінші рельске (мысалы, теріс рельс) ауыстырады. Бұл резистивті де, реактивті де жүктемелер үшін орын алады. Қуат көзінің екі рельсте де жеткілікті сыйымдылық қоры болуы керек, немесе осы энергияны екінші рельске ауыстыру мүмкіндігі болуы керек.

Белсенді құрылғыны таңдау

D класындағы күшейткіштегі белсенді құрылғылар тек басқарылатын қосқыштар ретінде жұмыс істеуі керек және басқару сигналына ерекше сызықтық жауап беруі міндетті емес. Көбінесе MOSFET-тер пайдаланылады.

Қателерді бақылау

Күшейткіштің нақты шығысы модульденген PWM сигналының мазмұнына ғана байланысты емес. Электрмен жабдықтау кернеуі шығыс кернеуін тікелей амплитудалық модуляциялайды, өлі уақыт қателері шығыс кедергісін сызықтық емес етеді, ал шығыс сүзгісі жүктемеге күшті тәуелді жиілік жауабына ие. Қателермен күресудің тиімді жолы, олардың көзіне қарамастан, теріс кері байланыс қолдану. Шығару сатысын қамтитын кері байланыс контурын қарапайым интегратор арқылы жасауға болады. Шығыс сүзгісін ескеру үшін PID контроллері қолданылады, кейде қосымша интегралдау мүшелерімен. Нақты шығыс сигналын модуляторға қайтару қажеттілігі SPDIF көзінен PWM-ді тікелей жасауды тиімсіз етеді. Кері байланыссыз күшейткіштегі осы мәселелерді шешу үшін әрқайсысын жекелеген түрде жою қажет. Электрмен жабдықтау модуляциясын қуаттандыру кернеуін өлшеу арқылы, PWM есептелу алдында сигналдың күшейтілуін реттеу арқылы ішінара жоюға болады, ал бұрмалауды жылдамрақ коммутациялау арқылы азайтуға болады. Шығыс кедергісін кері байланыссыз басқару мүмкін емес.

Артықшылықтар

D класындағы күшейткіштің басты артықшылығы – оның сызықты күшейткіштерге қарағанда тиімдірек болу мүмкіндігі, соның салдарынан активті құрылғыларда жылу ретінде аз қуат жұмсалады. Ірі жылу шығару құрылымдары қажет болмайтындықтан, D класындағы күшейткіштер А, В немесе АВ класындағы күшейткіштерге қарағанда әлдеқайда жеңіл, бұл портативті дыбыс күшейту жүйелерінің жабдықтары және бас-күшейткіштер үшін маңызды фактор болып табылады. Импульстік генераторларда қолданылатын шығыс каскадтары D класындағы күшейткіштердің мысалы. Дегенмен, бұл термин көбінесе аудио сигналдарды қайта өңдеуге арналған, коммутациялық жиіліктен әлдеқайда төмен өткірлік жолағы бар қуат күшейткіштерге қолданылады.