Введение
Усилитель, основанный на широтно-импульсной модуляции (ШИМ)
Усилитель класса D, или коммутационный усилитель, – это электронный усилитель, в котором усиливающие элементы (транзисторы, как правило, MOSFET) работают как электронные ключи, а не как линейные усилители, как в других типах усилителей. Они функционируют, быстро переключаясь между шинами питания, используя широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), модуляцию плотности импульсов или аналогичные методы для формирования импульсного выходного сигнала. Простой фильтр нижних частот может использоваться для подавления высокочастотных составляющих и получения аналогового выходного тока и напряжения. Потери энергии на усиливающих транзисторах минимальны, поскольку они всегда находятся либо в полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии, что позволяет достичь эффективности более 90%.
История
Первый усилитель класса D был изобретен британским ученым Алеком Ривзом в 1950-х годах и впервые получил такое название в 1955 году. Первым коммерческим продуктом стал модульный комплект X 10, выпущенный компанией Sinclair Radionics в 1964 году. Однако его выходная мощность составляла всего 2,5 ватта. Sinclair X 20 в 1966 году выдавал 20 ватт, но страдал от непостоянства и ограничений германиевых биполярных транзисторов, доступных в то время. В результате эти ранние усилители класса D были непрактичны и не нашли успеха. Создание практичных усилителей класса D стало возможным благодаря разработке технологии MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор) на основе кремния. В 1978 году компания Sony представила TA N88 – первый блок класса D, использующий силовые MOSFET и импульсный источник питания. В период с 1979 по 1985 год произошли стремительные улучшения в технологии MOSFET. Доступность недорогих и быстродействующих MOSFET привела к успеху усилителей класса D в середине 1980-х годов. Первая интегральная схема на основе усилителя класса D была выпущена компанией Tripath в 1996 году и получила широкое распространение.
Основная работа
Усилители класса D работают, генерируя последовательность прямоугольных импульсов с фиксированной амплитудой, но изменяющейся шириной и интервалами между ними. Эта модуляция представляет собой изменения амплитуды аналогового аудиовходного сигнала. В некоторых конструкциях импульсы синхронизированы с входящим цифровым аудиосигналом, что устраняет необходимость преобразования сигнала в аналоговый вид. Выход модулятора затем используется для поочередного включения и выключения выходных транзисторов. Поскольку транзисторы находятся либо во полностью включенном, либо в полностью выключенном состоянии, они рассеивают очень мало энергии. Простой фильтр нижних частот, состоящий из индуктора и конденсатора, обеспечивает прохождение низких частот аудиосигнала, отсекая высокочастотные импульсы. Структура выходной ступени усилителя класса D сопоставима со структурой синхронно-выпрямительного понижающего преобразователя, являющегося типом неизолированного импульсного источника питания (SMPS). В то время как понижающие преобразователи обычно функционируют как стабилизаторы напряжения, обеспечивая постоянное напряжение постоянного тока в переменную нагрузку и способные только отдавать ток, усилитель класса D обеспечивает постоянно изменяющееся напряжение в фиксированную нагрузку. Импульсный усилитель может использовать любой тип источника питания (например, автомобильный аккумулятор или внутренний SMPS), но определяющей характеристикой является то, что сам процесс усиления осуществляется посредством переключения. Теоретическая эффективность усилителей класса D составляет 100%. Это означает, что вся потребляемая мощность передается нагрузке, и ничто не преобразуется в тепло. Это связано с тем, что идеальный переключатель в включенном состоянии не имеет сопротивления и проводит весь ток без падения напряжения, следовательно, не рассеивает мощность в виде тепла. А когда он выключен, на нем присутствует полное напряжение питания, но утечки тока нет, и, опять же, мощность не рассеивается. Реальные силовые MOSFET не являются идеальными переключателями, но практическая эффективность свыше 90% является обычным явлением для усилителей класса D. В отличие от них, линейные усилители класса AB всегда работают с протекающим током и напряжением, приложенным к силовым элементам. Идеальный усилитель класса B имеет теоретический максимальный КПД 78%. Усилители класса A (полностью линейные, с элементами, всегда находящимися хотя бы частично во включенном состоянии) имеют теоретический максимальный КПД 50%, а некоторые конструкции имеют КПД ниже 20%.
Модуляция сигнала
Форма волны 2-го уровня формируется с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ), импульсно-плотностной модуляции (иногда называемой частотной импульсной модуляцией), управления в скользящем режиме (чаще называемого самоосциллирующей модуляцией) или дискретных временных форм модуляции, таких как дельта-сигма модуляция. Простой способ создания ШИМ-сигнала – использование высокоскоростного компаратора ("C" на блок-схеме выше), который сравнивает высокочастотную треугольную волну с аудиовходом. Это генерирует серию импульсов, у которых рабочий цикл прямо пропорционален мгновенному значению аудиосигнала. Компаратор затем управляет драйвером затвора МОП-транзистора, который, в свою очередь, управляет парой силовых коммутирующих транзисторов (обычно МОП-транзисторов). Это создает усиленную копию ШИМ-сигнала компаратора. Выходной фильтр удаляет высокочастотные компоненты переключения ШИМ-сигнала и восстанавливает аудиоинформацию, пригодную для использования динамиком. Усилители на основе DSP, генерирующие ШИМ-сигнал непосредственно из цифрового аудиосигнала (например, SPDIF), используют счетчик для определения длительности импульса или реализуют цифровой эквивалент треугольного модулятора. В любом случае, временное разрешение, обеспечиваемое практическими частотами тактирования, составляет лишь несколько сотых периода переключения, чего недостаточно для обеспечения низкого уровня шума. Фактически, длительность импульса подвергается квантованию, что приводит к искажениям квантования. В обоих случаях применяется отрицательная обратная связь внутри цифровой области, формируя формирователь шума, что приводит к снижению шума в слышимом диапазоне частот.
Скорость переключения
Две значительные конструкторские задачи для схем управления MOSFET в усилителях класса D – это минимизация времени неактивности и времени работы в линейном режиме. Время неактивности – это интервал во время переключения, когда оба выходных MOSFET находятся в запертом состоянии и оба выключены. Время неактивности должно быть как можно меньше для поддержания точного выходного сигнала с низким уровнем искажений, но слишком короткое время неактивности приводит к тому, что включающийся MOSFET начинает проводить ток до того, как выключающийся MOSFET полностью прекратит проводить, что фактически закорачивает выходной источник питания через сами MOSFET – состояние, известное как сквозной пробой. 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 с заметным сопротивлением, что приводит к значительному нагреву. Сбои, допускающие сквозной пробой или чрезмерную работу в линейном режиме, приводят к избыточным потерям и иногда к катастрофическому выходу MOSFET из строя. При ШИМ-модуляции с фиксированной частотой, по мере приближения (пикового) выходного напряжения к одному из напряжений питания, ширина импульса может стать настолько малой, что это становится пределом возможностей схемы управления и MOSFET. Эти импульсы могут длиться всего несколько наносекунд и могут вызывать сквозной пробой и нагрев из-за работы в линейном режиме. Другие методы модуляции, такие как импульсно-плотностная модуляция, могут обеспечивать более высокие пиковые выходные напряжения, а также более высокую эффективность по сравнению с ШИМ с фиксированной частотой.
Конструкция источника питания
Усилители класса D предъявляют дополнительное требование к их источнику питания, а именно способность поглощать энергию, возвращающуюся от нагрузки. Реактивные (емкостные или индуктивные) нагрузки накапливают энергию в течение части цикла и отдают часть этой энергии обратно. Линейные усилители рассеивают эту энергию, а усилители класса D возвращают её в источник питания, который должен каким-то образом её накапливать. Кроме того, полумостовые усилители класса D передают энергию с одной шины питания (например, положительной) 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 достаточный емкостной запас на обеих шинах, либо быть способен передавать эту энергию на другую шину.
Выбор активного устройства
Активные устройства усилителя класса D должны функционировать только как управляемые ключи и не требуют особо линейной характеристики на управляющий сигнал. Обычно используются MOSFET.
Контроль ошибок
Фактический выход усилителя зависит не только от содержимого модулированного PWM-сигнала. Напряжение питания напрямую амплитудно модулирует выходное напряжение, ошибки времени неактивности приводят к нелинейности выходного импеданса, а частотная характеристика выходного фильтра сильно зависит от нагрузки. Эффективным способом борьбы с ошибками, независимо от их источника, является отрицательная обратная связь. Обратная связь, включающая выходную ступень, может быть реализована с помощью простого интегратора. Для учета влияния выходного фильтра используется ПИД-регулятор, иногда с дополнительными интегрирующими звеньями. Необходимость возврата фактического выходного сигнала в модулятор делает прямое генерирование PWM из источника SPDIF нежелательным. Устранение тех же проблем в усилителе без обратной связи требует решения каждой из них по отдельности на этапе возникновения. Модуляцию питания можно частично компенсировать, измеряя напряжение питания для регулировки коэффициента усиления сигнала перед вычислением PWM, а искажения можно уменьшить, увеличив скорость переключения. Управлять выходным импедансом возможно только посредством обратной связи.
Преимущества
Основным преимуществом усилителя класса D является то, что он может быть более эффективным, чем линейный усилитель, с меньшими потерями мощности на тепло в активных элементах. Поскольку большие радиаторы не требуются, усилители класса D значительно легче, чем усилители класса A, B или AB, что особенно важно для портативных систем звукоусиления и басовых усилителей. Примерами усилителей класса D служат выходные каскады, используемые, например, в импульсных генераторах. Однако этот термин чаще всего применяется к усилителям мощности, предназначенным для воспроизведения аудиосигналов с полосой пропускания, значительно уступающей частоте переключения.