Мощные линейные и шим усилители. Усилители класса D компании Texas Instruments. Область преимущественного использования

обзавёлся очень сильной дискуссией очень грамотных специалистов, которые..
..которые разжевали всё до такой степени, что описали всю суть практически до уровня электронов в проводниках.
Выражаю им ОГРОМНУЮ и искреннюю благодарность и признательность.

=========================

Итак.
Хочешь что-то — сделай это САМ...
В интернете, действительно, есть всё — надо только найти.
Найти и..
..и систематизировать всё в одном месте. Т.к. в интернете вся эта информация присутсвует, но она размазана по разным местам по маленьким кусочкам -- в одном месте упоминается одно, в другом другое, а общей картины нет. НО.. Но если собрать все эти кусочки в одном месте (файле) и затем отредактировать в единый информационный поток, то
, то можно собрать из них полную картину (как паззл/puzzle) ,
что я, собственно, и собираюсь сделать.

Итак. забив в поиске "полностью цифровой усилитель" сразу получаю практически полноценный ответ:

"полностью цифровой усилитель" ссылка 1 = http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic=4078.0
цитата
:
Полностью цифровой усилитель
« : 06 Августа 2014 , 11:47:55 »

Мучаю на макете полностью цифровой усилитель на техасском чипсете.
Модулятор TAS5548, выходной каскад TAS5612LA.
Вход многоканальный I2S,
источник - компьютер,
USB интерфейс - Фламенко.
Управление модулятором пока от Arduino.
В качестве РГ - энкодер.
Питание всего 12В, выходная микруля греется не сильно, даже не стал ставить радиатор.
Мощности для акустики 84 Дб - за глаза.
""""""""""""""""" конец цитаты """"""""""""""""""

===================================

Первое что бросается в глаза -- это, а что такое «I2S»

"""""""""""""" Цитата """""""""""""""
Универсальное устройство на sc4392
предназначено для
приема аудиоданньіх по SPDIF и преобразованию в i2s
и коммутацию нескольких источников цифровьіх аудиоданньіх.
На борту
4 входа:
3 SPDIF из них один разведен под TOSLink,
1 кв.шина, максимальная частота семплирования 192КГц
2 вьіхода:
Кв.шина и повторяющий ее SPDIF вьіход.
"""""""""""""" конец цитаты """""""""

Дальше я сохраню в этом же файле свою переписку 2015 года с человеком, который.. казался мне большим докой в цифровых усилителях.
"Меня зовут Костяной Сергей Александрович. Сейчас живу в глубинке в Воронежской области. "

"""""""""""""" Цитата """""""""""""""

Привет!

Иногда пишут как IIS

На вход TAS5548 нужен i2s.

"""""""""""""" конец цитаты """""""""

Переписка целиком
Привет!

Честно говоря у меня сейчас мало времени.

С первым девайсом:

Из всей начинки, там позного: Блок питания, модулятор, и выходной каскад.

5.1 - 6 каналов. Тебе нужно не i2s, а i6s:)

Это чудо подключаем к модулятору. Модулятором можно управлять через USB-i2C переходник.
Ну конечно нужен будет некий софт, если нужно что-то крутить на аппаратном уровне.
Лучше все делать софтом, на компе.

Звуковая карта не нужна. В ней есть смысл, если есть аппаратная доработка звука или мегакрутой ЦАП для аналогового усилителя.

В Tomson можно убрать АЦП, и прилепить вместо него более простой i2s интерфейс например CM6631A
Каналы крутить через встроенное MCU.

По поводу вывода i2s из компа. В теории это можно сделать. Даже из встроенного кодека.
Но неужели встроенный в мост контроллер звука такой хороший?
Опять же CM6631A или XMOS - более правильное направление.

Вообще я смысла не вижу, разве что, при наличии Creative x-fi с аппаратным улучшайзером...

Непосредственный вывод i2s очень не дальнобойный. Максимум 30 см до модулятора, или начнутся сбои.
Лучше посадить чип модулятора прямо над старым ЦАП. PWM можно уже будет удлинить на большие расстояния, без особых проблем.

Но процы сейчас такие мощные, что и софтовый аудиоплагин можно юзать.
Опять же CM6631A или XMOS - более правильное направление, чем ковырять звуковухи тем более на материнке.
Например это https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer

По поводу ручек.
Аналоговая ручка ни о чем не говорит. Сигнал с регулятора может быть оцифрован MCU и даваться по i2c в модулятор.
Может не по шине, а на управляемый аттенюатор. В общем нужно разбирать и смотреть.

По поводу TOSHIBA SD-530 E - да, там может быть крутой ЦАП в маркетинговых целях. Скорей всего в него заводится i2s.

Чтобы достать от туда i2s нужен переходник на парафазную линию через специальный драйвер. Потом в RJ-45.
Потом в приемном устройстве RJ-45. Приемник парафазного сигнала. Потом получаем дискретный i2s. Его можно подать в ЦАП или модулятор.

Это все очень не просто, не благодарно и не выгодно. У меня мало времени, чтобы бороться с буржуйским маркетингом.

Никаких крутых DVD и блюреев. Только HTPC с мощным процом, чтобы 4К крутил, с запасом на обработку звука и прочих шлюх.

Звуковые карты не нужны. Нужен крутой аудио-интерфейс с достаточным количеством каналов.

Например это https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer
10 x OUT multi-channel USB audio interface (8 x I2S)
Можно сделать отдельно многополоску и настраивать все программно, прямо на компе. И без маркетинговых кровопийц.

Вопросы?

В письме от 8 июня 2016 01:44:14 Вы написали:
> ПРИВЕТствую!!! о Сергей:)
>
> снова нуждаюсь в помощи профессионала.
>
> Нашёл тут DVD домашний кинотеатр в одном - Tomson (модель уточню)
> суть в том, что выход не в виде линейных выходов 5.1
> а на выходе 5.1 цифровой усилитель - 5.1 выходы сразу на колонки включая даже ПАССИВНЫЙ сабвуфер.
>
> Мы когда-то хотели заказывать в Китае такую плату. так она денег стоит.... не копеечная. А тут она же самая, видимо.
>
>
> Но по законам запланированного устаревания у модели НЕТ входов.
> т.е.
> лазер от времени стал читать плохо, часто заикаится. Да и время болванок "ушло безвозвратно".
>
> А использовать ВНУТРЕННИЙ ПОТЕНЦИАЛ = полноценный цифровой усилитель 5.1 - НЕТ возможности.
>
> Сделан 2.0 АНАЛОГОВЫЙ вход. и тот звучит не плохо. Но это же сколько преобразований
> сперва из цифры в аналог, что бы подать на аналоговый же вход, после которого снова АЦП что бы подать на цифровой усилитель цифру.... 3 преобразования из исходной ЦИФРЫ в ту же ЦИФРУ....
>
> Кому я чего объясняю:)) - ты сам мне это объяснял в прошлом письме.
>
>
>
> Вопрос.
>
> Расскажи как вывести из компютера -- из звуковой карты этот самый I2S ?
>
>
> Сколько бы ты взял (рублей) за такую работу?! -- вот только как бы тебе переслать аппарат...(ну это, в принципе, решаемо)
>
>
>
> Есть эта же модель Тоmson , но более старшая, у неё уже сделан хотя бы ОПТИЧЕСКИЙ вход.
>
> секундочку у меня же есть документация
>
> THOMSON DPL913VD.pdf
> http://vk.com/doc5542158_437445096
>
> это кажется тот что у меня
>
>
> А вот более старшая модель 950:
> http://vk.com/doc5542158_437451143
>
>
> а вот тот преобразователь который....
> http://vk.com/doc5542158_437451125
>
> на который видимо и надо заводить I2S со звуковой карты.
>
>
> Если освоить это, то можно делать бизнес,
> т.к. народ сейчас тупо ВЫКИДЫВАЕТ такие аппараты
> т.к. викидывают и все диски... а он кроме как с диска иначе... ну разве что СТЕРЕО усилитель... но людям НЕ надо.
> я нашёл на помойке....
>
> ===========================
> ===========================
>
>
> Вопрос 2
>
> Подарил мне друг систему
>
> Cambrige DTT 2500
> фотка = http://vk.com/photo5542158_416539186
>
> по Coaxial он имеет внутренний AC3 Dolby Digital деккодер. К сожаления нет DTS -- вот уроды....
> DTS раскодировать нынче не проблема - и я прикупил себе топовую Creative ZxR
>
> но эти "умные люди" предвидели это и кроме ОТСУТСВИЯ DTS
> они ещё предусмотрели и ОТСУТСВИЕ 5.1 входов.
> Есть только вход 4.0 , при том что усилитель 5.1
>
> "висит груша - нельзя скушать"
>
> есть усилитель 5.1 уже ВТОРОЙ, но я не могу им воспользоваться.
>
>
> но на этом DTT2500
> есть АНАЛОГОВАЯ ручка регулировки уровня громкости ЦЕНТРАЛЬНОГО канала
> при том что нет для него аналогового входа
>
> и это наводит меня на мысль, что
> раз ручка АНАЛОГОВАЯ,
> то она может регулировать лишь АНАЛОГОВЫЙ сигнал,
> т.е. можно подпаться к ней и подавать внешний вход ЦЕНТРАЛЬНЫЙ прямо напрямую на неё...
>
> Но там же ещё где-то схема обрезания БАСОВ, т.к. колоночки лишь СЧ/ВЧ, весь бас обрезается в САб.
> а тут уже скорее всего ОБРЕЗАНЫЙ аналоговый сигнал.
>
> т.е. завести то сигнал я может так и смогу, но...
> но таким образом я рискую перегрузить колоночку и усилитель НЕ обрезанными БАСАМИ.
>
> Колончки в силу своего микро размера ОЧЕНЬ НРАВЯТСЯ
> я расставил их вокруг себя
> в непосредственной близости
> и абсолютно симметрично
> чем достиг коллосальный эффект от симметрии.
> все 5.1 эффекты передаются максимально 100% (ну с поправкой на обрезку басов в единый саб.)
>
> но вот я не могу подать центральный канал....
>
> и кажется даже если подам напрямую на регулятор,
> то я должен буду как-то сам куда-то заранее обрезать с его БАС.
>
> А ведь аппарат Cambrige -- и звучит... ну мне для дома хватает.
>
> Как бы мне научиться подавать центральный канал.
> ведь по SpDif Coaxial он понимает все 5.1 - но там по ЦИФРЕ...
> а тут мне надо подать АНАЛОГОВЫЕ 5.1
>
> =============
> =============
> =============
>
>
> и третья задача.
>
> есть DVD Player TOSHIBA SD-530 E
>
> http://www.stereo-journal.ru/149491-toshiba_sd_530e.html
>
>
> на борту которого написано, что в нём установлен некий 192 kHz 24 bit ЦАП/DAC
> опять же хотелось бы его использовать в качестве СТЕРЕО ЦАП
>
> сам я врядли смогу сделать - я математик. я резистор от транзистора с трудом отличу.
>
> А вот за задачу с Tomson я готов заплатить, ОБОСНОВАНУЮ цену.
>
> ну или и вправду попробовать найти какие провода надо искать (по каким признакам?)
> по идее надо соединить I2S со звуковой карты
>
> видимо с его внутреннего ЛАЗЕРА идёт та же самая I2S , как и на звуковой карте.
> но эти стандарты к сожалению не имеют обукновения выводиться наружу,
> хотя с появлением ЦИФРОВЫХ усилителей
> приходит именно их пора.
>
>
> =========================
> =========================
> =========================
>
>
>
>
>
> >Пятница, 6 ноября 2015, 0:36 +03:00 от Сергей Костяной :
> >
> >Привет!
> >Выбирай http://kostyanoysa.ru/?p=154
> >
> >Честному цифровому усилку нужен цифровой звук! i2s!
> >https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/I2SBUS.pdf
> >Иногда пишут как IIS
> >
> >Эти последовательные i2s данные могут быть преобразованы в аналог мага-дорогой микросхемой ЦАП, и усилены мегадорогим усилком.
> >Либо!
> >Эти данные поступают в модулятор (например TAS5548), который переведет их в точную длительность открытия ключевых транзисторов, а звук в аналоговый преобразуется уже на выходном фильтре.
> >
> >В первом случае мы получаем шумы и искажения ЦАП, а потом их еще и усиливаем, с посторонними помехами, да и теряем на КПД АВ усилителя.
> >Во втором случае получаем идеальный выходной сигнал. Качество звучания во много зависит от согласования выходного фильтра с АС.
> >
> >Так чтобы обойтись без аналога, надо иметь звуковую карту с цифровым выходом или SPDIF который потом опят преобразуется в I2s
> >SPDIF и I2s - цифровые интерфейсы но протоколы разные.
> >На вход TAS5548 нужен i2s.
> >На выходе TAS5548 поучаем ШИМ и подаем на выходной чип. Если хочешь - можно взять не чип, а драйвер затвора (типа IR2110) и мощные полевые транзисторы (типа IRFP4321). Будет "дубово"!
> >
> >В письме от 6 ноября 2015 00:11:39 Вы написали:
> >> ПРИВЕТствую Сергей.
> >>
> >> Хочу разобраться в одной звуко.. инженерной задачке
> >> уверен тебе будет интересно,
> >> а быть может, ты "сто лет в обед" знаешь об этом.
> >>
> >>

Это работа транзистора и усилителя при маленькой амплитуде напряжения запирания ниже, чем напряжение смещения. В этом случае амплитуда звукового сигнала меньше, чем напряжение смещения. В таком состоянии транзистор проводит только верхнюю часть положительной полуволны, что сильно искажает сигнал. Поэтому в аудио усилителях, этот класс не применяется. Такой режим работы транзисторов имеет высокий КПД (около 85%).

Режим работы Класс D - это усилители сигнала с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ) и с частотно - импульсной (ЧИМ), в которых звуковой аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а в выходном каскаде происходит обратное преобразование.

В первом случае ширина синтезированных импульсных сигналов пропорциональна амплитуде входного (аналог) сигнала, во втором - изменяемой величиной является частота импульсов. В любом варианте при изготовлении усилителя мощности класса "D" получаем высокий коэффициент нелинейных искажений, обусловленный дополнительными процессами конвертации усиливаемого сигнала.

Для того, чтобы усилитель мощности перевести в класс "D" необходимо создать ключевой режим работы выходных транзисторов - замыкать и размыкать их. Для этого, на базу (затвор) транзистора подается ШИМ-сигнал обработанный периодической последовательностью прямоугольных импульсов (прямоугольный сигнал). Этот прямоугольный сигнал проходя через транзистор, отпирает и запирает его. В результате импульсного процесса (на короткое время) создаётся рабочая точка выходных транзисторов. Поэтому ток через транзисторы не потечёт если нет сигнала, это вызывает искажения звука свойственные классу "В".

Известно, что многозадачные электронные процессы и скорость переключения транзисторов не проходят мгновенно, это изменяет форму сигнала и увеличивает длину пути его прохождения. К тому же, интермодуляционные искажения звука в усилителях ШИМ имеют прямую зависимость, от частоты модуляции к частоте усиливаемого сигнала, что ограничивает их использование в звуковом диапазоне.

Класс "D" имеет одно неоспоримое преимущество высокий КПД - 90%.
Усилитель для сабвуфера - вот реальное применение класса "D" в аудио.
ШИМ-сигнал применяется для записи формата аудиодисков - SACD. Но на практике всплывают существенные недоработки этого нового формата.

Широтно-импульсная модуляция - это такой способ управления прибором, когда путем регулировки длительности импульса, по отношению к его периоду, достигают нужного среднего значения, которое меньше амплитудного.

Например: есть источник питания напряжением 100 вольт, и нагревательный элемент рабочим сопротивлением 10 Ом. Если подключить прибор напрямую к источнику, то получится выделение тепла мощностью 1000 Ватт, и так будет происходить постоянно, пока прибор не будет отключен от источника. Но что, если нужно получить только 500 Ватт, или, скажем, 200 Ватт, имея все тот же источник и все ту же нагрузку. Здесь на помощь как раз и может придти широтно-импульсная модуляция, или сокращенно ШИМ. Можно между источником и приемником поставить некий управляемый выключатель, который будет то подключать нагрузку к источнику, то отключать ее, причем происходить это будет так, чтобы длительность включения была равна длительности выключения, и так нужно повторять много раз, тогда нагрузка будет запитана только в течение половины всего рабочего времени, и мы получим, как в нашем примере, не 1000 Ватт тепла, а 500 Ватт, как и было нужно. Если теперь длительность включения сделать в пять раз меньше периода импульса, (сумма длительности включения и длительности выключения в каждом цикле - это период импульса) то и средняя мощность нагрузки будет в пять раз меньше, то есть 200 Ватт. Это весьма грубый пример, дающий общее представление о принципе.

Аналогичным образом происходит управление элементами электронных схем, где посредством специальных микросхем - ШИМ-контроллеров, задается необходимый режим широтно-импульсной модуляции для управления силовыми ключами, примером такого настраиваемого ШИМ-контроллера может послужить широко распространенная на рынке радиодеталей микросхема TL494.

Традиционные аудиоусилители классов А, В и АВ для мобильных устройств с автономным питанием уже давно перестали устраивать разработчиков из-за их низкого КПД и, как следствие, высокого расхода энергии батареи или аккумулятора. Усилители класса D имеют гораздо более высокий КПД, поэтому именно они наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям к современной портативной технике. Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы и даже мощная усилительная техника для театров и концертных залов) благодаря уменьшению габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с приборами предыдущих поколений классов А, В и АВ. Достижения полупроводниковой технологии последних лет позволили компании Texas Instruments разработать микросхемы для создания высококачественных усилителей звуковой частоты класса D с максимальной выходной мощностью от единиц до нескольких сотен Вт.

Рассеиваемая мощность усилителя, работающего в классе D, существенно меньше, чем у аналогичных приборов класса АВ, работающих в тех же режимах. Это проиллюстрировано на рис. 1 (в качестве примера взята микросхема Texas Instruments TPA2012D2, предназначенная для усилителей портативной техники).

Рис. 1.

Из рисунка 1 хорошо видно, что при одинаковой выходной мощности усилитель класса D имеет потери мощности в несколько раз меньшие по сравнению с аналогичными усилителями класса АВ во всем диапазоне выходных мощностей. Наибольший выигрыш получается при средней выходной мощности. Именно в этом режиме чаще всего и используется аппаратура для воспроизведения звука. Отмеченные свойства дополняет рис. 2, иллюстрирующий зависимости КПД от выходной мощности этих же усилителей при режимах измерения, аналогичных рис. 1. При малой и средней мощностях КПД усилителя класса D в два-три раза выше, чем у усилителя класса АВ.

Рис. 2.

Сравнение эффективности и рассеиваемой мощности для усилителей с очень низкой выходной мощностью может оказаться не в пользу усилителей класса D из-за относительно высокой мощности высокочастотного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине линейные усилители класса АВ при очень низких выходных мощностях иногда оказываются предпочтительнее класса D. Принцип работы простейшего усилителя класса D без обратной связи поясняет рисунок 3.

Рис. 3.

Входной сигнал предварительного усилителя модулируется треугольными колебаниями для преобразования в широтно-модулированные импульсы, которые усиливаются выходным каскадом, работающим в ключевом режиме. Далее LC-фильтр низких частот интегрирует импульсы разной длительности и срезает высокочастотные составляющие спектра, оставляя только выделенный сигнал звуковой частоты. Осциллограммы процесса ШИМ для усилителя класса D, выполненного по мостовой схеме, приведены на рис. 4. Модуляция в усилителях класса D может осуществляться разными способами, но наиболее распространена именно ШИМ.

Рис. 4.

Звуковой сигнал сравнивается с сигналом пилообразной или треугольной формы фиксированной частоты. Первый усилитель на рисунке 3 необходим для предварительного усиления и смещения сигнала до нужного уровня. Второй усилитель и генератор треугольного напряжения образуют модулятор ШИМ. На рисунке 4 длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна уровню входного аналогового сигнала. Мостовой схеме необходимы импульсы ШИМ противоположной полярности для управления другим плечом моста. На рисунках 3 и 4 показаны упрощенные варианты схем. В реальных схемах усилителей класса D обязательно вводятся формирователи времени паузы между импульсами для исключения одновременного включения двух выходных транзисторов и устранения сквозных токов. Частота модуляции и среза низкочастотного фильтра обычно выбирается в несколько раз больше верхней граничной частоты пропускания усилителя. К выбору элементов LC-фильтра необходимо относиться очень внимательно. Этому вопросу уделяется особое внимание в документации производителя и руководствах по применению.

Texas Instruments выпускает микросхемы для создания усилителей класса D низкой, средней и высокой мощности. Параметры для усилителей класса D низкой мощности приведены на рис. 5 и в табл. 1.

Рис. 5.

Таблица 1. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c низкой и средней выходной мощностью (аналоговый вход)

Наименование	Описание	Стерео/ моно	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Half Power THD+N* (%), F = 1 кГц	PSSR** дБ	Корпус(а)
					(min)	(max)
TPA2017D2	SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс	Стерео	2,8	4	2,5	5,5	0,2	80	QFN-20
TPA2000D2	усилитель средней мощности	Стерео	2,5	3	4,5	5,5	0,05	77	TSSOP-24
TPA2000D4	усилитель для стереотелефонов	Стерео	2,5	4	3,7	5,5	0,1	70	TSSOP-32
TPA2012D2	усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм	Стерео	2,1	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2	SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс	Стерео	1,7	8	2,5	5,5	0,2	80	WCSP-16
TPA2001D2	усилитель низкой мощности	Стерео	1,25	8	4,5	5,5	0,08	77	TSSOP-24
TPA2100P1	для пьзокерамического излучателя	Моно	19 Vpp	1,5 мкФ (пьезо)	2,5	5,5	0,2	90	WCSP-16
TPA2035D1	дифференциальный вход, 1,5 х 1,5 мм	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2032/3/4D1	дифференциальный вход, фикс. усиление	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2013D1		Моно	2,7	4	1,8	5,5	0,2	95	WCSP-16, QFN-20
TPA2036D1	защита от КЗ с автовосстановлением	Моно	2,5	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2031D1	аналог TPA2010D1, но с плавным стартом	Моно	2,5	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2010D1	дифференциальный вход;1,45 х 1,45 мм	Моно	2,5	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9
TPA2018D1	SmartGain AGC/DRC, I2C интерфейс	Моно	1,7	8	2,5	5,55	0,2	80	WCSP
TPA2014D1	встроенный повышающий DC/DC-преобр.	Моно	1,5	8	2,5	5,5	0,1	91	WCSP-16, QFN-20
TPA2006D1	дифференциальный вход	Моно	1,45	8	2,5	5,5	0,2	75	QFN-8
TPA2005D1	дифференциальный вход	Моно	1,4	8	2,5	5,5	0,2	75	MSOP-8, QFN-8, BGA-15
*Half Power THD+N - (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц). **PSSR - Power Supply Rejection Ratio - коэффициент подавления помех по цепям питания

В первую очередь эти микросхемы предназначены для встраивания в мобильные устройства. Подавляющее большинство таких усилителей расчитано на напряжение питания от 2,5 до 5,5 В, но микросхема одноканального усилителя TPA2013D1 имеет расширенный диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В благодаря встроенному повышающему DC/DC-преобразователю (Boosted DC/DC ). Это позволило обеспечить постоянство выходной мощности при всем диапазоне рабочих напряжений питания по сравнению с обычными усилителями класса D, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6.

Рис. 6.

При выходной мощности около 1,5 Вт в диапазоне напряжений питания от 2,3 до 4,8 В характеристика находится в пределах ±0,1 Вт. Большинство обычных усилителей этого класса имеют практически линейную зависимость максимальной выходной мощности от напряжения питания. Преимущество усилителей со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем - возможность работы при гораздо более низком напряжении питания батареи (или при ее более глубоком разряде), что повышает степень использования автономного источника питания.

Структурная схема микросхем TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-конвертером показана на рис. 7.

Рис. 7.

В микросхемах предусмотрена защита от нежелательных переключений при коммутации повышающего DC/DC-преобразователя. Встроенный стабилизатор обеспечивает стабильность характеристик в широком диапазоне напряжений питания. При необходимости выход повышающего DC/DC-преобразователя можно использовать для питания маломощных дополнительных схем портативного устройства. Если внимательно посмотреть на параметр PSSR (коэффициент подавления помех по цепям питания) в табл. 1, то бросается в глаза, что именно усилители со встроенными повышающими DC/DC имеют существенно лучшие значения этого параметра (91…95 дБ) по сравнению с остальными усилителями этого класса.

Среди усилителей с низкой и средней выходной мощностью есть и специализированный для работы на пьезокерамический излучатель с допустимой емкостью до 1,5 мкФ. При этом размах выходного напряжения на емкостной нагрузке достигает 19 В (от пика до пика) при минимально допустимом напряжении питания всего 2,5 В. Необходимо обратить внимание, что параметр (THD + N), характеризующий суммарные гармонические искажения вместе с шумовыми составляющими, измеряется на частоте 1 кГц при половине мощности от допустимого максимального значения.

На рис. 8 приведен навигатор для выбора микросхем усилителей класса D высокой мощности (отсчет высокой мощности для этого класса усилителей Texas Instruments начинает с 3 Вт).

Рис. 8.

Основные параметры этих микросхем сведены в табл. 2. Некоторые из микросхем, приведенных на рис. 8 и в табл. 2, относятся только к анонсированной продукции, поэтому возможность поставки образцов необходимо проверять на сайте производителя.

Таблица 2. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c высокой выходной мощностью (аналоговый вход)

Наименование	Описание	Pвых Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Half Power THD+N* (%), F = 1 кГц	PSSR**, дБ	Корпус(а)
				(min)	(max)
TAS5630	300 Вт усилитель (стерео) с ОС	300	TBD***	TBD	50	TBD	80	QFP-64
TAS5615	150 Вт усилитель (стерео) с ОС	150	TBD	TBD	50	TBD	80	QFP-64
TAS5412		100	2	6	24	0,04	75	HTQFP-64
TAS5422	усилитель (стерео) с симметричным входом	100	2	6	24	0,04	75	HTQFP-64
TAS5414A	усилитель (квадро) с несимметричным входом	45	2	8	22	0,04	75	SSOP-36, HTQFP-64
TAS5424A	усилитель (квадро) с симметричным входом	45	2	8	22	0,04	75	SSOP-44
TPA3106D1	усилитель (моно) со входом синхронизации	40	4	10	26	0,2	70	HLQFP-32
TPA3123D2	усилитель (стерео) с несимметричным входом	25	4	10	30	0,08	60	HTSSOP-24
TPA3100D2	усилитель (стерео) 20 Вт	20	4	10	26	0,1	80	HTQFP-48, QFN-48
TPA3001D1	усилитель (моно) 20 Вт	20	4	8	18	0,06	73	HTSSOP-24
TPA3110D2	усилитель (стерео) с ограничением мощности	15	4	8	26	<0,1	70	TSSOP-28
TPA3122D2		15	4	10	30	<0,15	60	PDIP-20
TPA3107D2	усилитель (стерео) 15 Вт	15	6	10	26	0,08	70	HTQFP-64
TPA3124D2	усилитель (стерео) 15 Вт с функцией Mute****	15	4	10	26	0,04	60	TSSOP-24
TPA3121D2	усилитель (стерео) с несимметричным входом	15	4	10	26	0,04	60	TSSOP-24
TPA3004D2		12	4	8,5	18	0,1	80	HTQFP-48
TPA3125D2	усилитель (стерео) в корпусе DIP-20	10	4	10	26	0,15	60	PDIP-20
TPA3101D2	усилитель (стерео) 10 Вт	10	4	10	26	0,1	80	HTQFP-48, QFN-48
TPA3111D1	усилитель (моно) с ограничением мощности	10	4	8	26	<0,1	70	TSSOP-28
TPA3002D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	9	8	8,5	14	0,06	80	HTQFP-48
TPA3007D2	усилитель (стерео) 6.5 Вт	6,5	8	8	18	0,2	73	TSSOP-24
TPA3009D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	6	8	8,5	14	0,045	80	HTQFP-48
TPA3005D2	усилитель (стерео) 6 Вт	6	8	8	18	0,1	80	HTQFP-48
TPA3003D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	3	8	8,5	14	0,2	80	TQFP-48
TPA2008D2	усилитель (стерео) c регулировкой громкости	3	3	4,5	5,5	0,05	70	HTSSOP-24
*Half Power THD+N - (нелинейные искажения + шум) при половине мощности от макс. значения (измерено для частоты 1 кГц) **PSSR - Power Supply Rejection Ratio - коэффициент подавления помех по цепям питания ***TBD - To Be Documented - данные будут указаны производителем позднее ****Mute - приглушение звука

На основе микросхем Texas Instruments можно спроектировать усилитель класса D с выходной мощностью до 300 Вт при максимальном напряжении питания до 50 В.

Большой интерес для разработчиков могут представлять новые двухканальные микросхемы для усилителей этого класса TPA3122D2 и TPA3125D2 в корпусе DIP20.

Рис. 9.

Рис. 10.

Этот корпус удобен для монтажа и макетирования по сравнению с миниатюрными корпусами BGA с шариковыми выводами. Схема включения этих стереоусилителей отличается простотой и приведена на рис. 11. Синим цветом выделены параметры, соответствующие TPA3125D2 (мощность до 10 Вт), красным цветом - TPA3122D2 (мощность до 15 Вт).

Рис. 11.

Микросхемы имеют два входа регулировки усиления (четыре уровня), а также возможность отключения (Shutdown) и приглушения звука (Mute). На рис. 11 показан самый распространенный вариант включения двухканального усилителя в режиме SE (Single Ended Output - нагрузка подключается к каждому каналу - режим «стерео»). Для существенного увеличения выходной мощности рассматриваемых микросхем можно из двух каналов одной микросхемы создать одноканальный мостовой усилитель (схема BTL - Bridge Tied Load - подключение нагрузки к мостовой схеме). Принципиальные схемы включения микросхем TPA3125D и TPA3122D для мостового варианта усилителя класса D приведены в документации производителя для этих усилителей. На рис. 9 и 10 показаны зависимости выходной мощности от напряжения питания при одинаковых условиях измерения для схем в режиме «стерео» (SE) и для варианта мостового включения (схема BTL).

Измерение максимальной выходной мощности оценивается при конкретном значении суммы всех гармонических искажений и шумовых составляющих (THD + N). При переходе к мостовой схеме включения на одинаковых напряжениях питания, сопротивлении нагрузки и суммарных искажениях сигнала, выходная мощность возрастает в несколько раз. Поэтому в мощных усилителях обычно используют именно мостовую схему включения. Всего одна микросхема в корпусе DIP20 при таком подключении позволяет создать усилитель с максимальной выходной мощностью около 50 Вт при напряжении питания 30 В.

Шумы и нелинейные искажения

Основная информация о звуковом сигнале кодируется шириной импульсов на выходе модулятора. Необходимость введения задержки на величину паузы становится причиной нелинейных искажений, пропорциональных отклонению от точной длительности импульса модуляции. Сильное влияние на шумы оказывает коэффициент ослабления помех от источника питания PSSR. Из-за малого сопротивления шумы источника питания могут напрямую передаваться в громкоговоритель. ФНЧ срезает высокочастотные составляющие, но пропускает низкочастотные шумы. Для качественного звучания следует выбирать микросхемы с высоким значением коэффициента ослабления помех от источника питания. Эффективное решение перечисленных проблем - введение глубокой обратной связи, как это делается во многих линейных усилителях. Обратная связь с входа ФНЧ сильно повышает PSSR и ослабляет суммарные искажения и шумы, появляющиеся до LC-фильтра. Искажения в самом фильтре можно уменьшить включением громкоговорителя в цепь ОС. В грамотно спроектированных усилителях класса D с замкнутой ОС реально достижим суммарный коэффициент нелинейных искажений менее 0,01%.

Основные выводы

Все больше новых аудиоустройств создается на основе экономичных и эффективных усилителей класса D. Многолетний опыт и новые технологии компании Texas Instruments позволяют ей уверенно чувствовать себя на этом рынке с высокой конкуренцией. Усилители класса D позволяют, повышая эффективность, в несколько раз снизить габариты за счет исключения или значительного уменьшения размеров радиаторов в мощных схемах. Требуется менее мощный источник питания, что дополнительно снижает цену усилительного прибора. Для многих рассмотренных в статье микросхем Texas Instruments выпускает демонстрационные платы. Ознакомиться с решениями для построения аудиосистем можно на сайте производителя в разделе www.ti.com/audio , а по системам управления питанием - в разделе www.power.ti.com .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Принцип ШИМ – широтно-импульсная модуляция заключается в изменении ширины импульса при постоянстве частоты следования импульса. Амплитуда импульсов при этом неизменна.

Широтно-импульсное регулирование находит применение там, где требуется регулировать подаваемую к нагрузке мощность. Например, в схемах управления электродвигателями постоянного тока, в импульсных преобразователях, для регулирования яркости светодиодных светильников, экранов ЖК-мониторов, дисплеев в смартфонах и планшетах и т.п.

Большинство вторичных источников питания электронных устройств в настоящее время строятся на основе импульсных преобразователей, применяется широтно-импульсная модуляция и в усилителях низкой (звуковой) частоты класса D, сварочных аппаратах, устройствах зарядки автомобильных аккумуляторов, инверторах и пр. ШИМ позволяет повысить коэффициент полезного действия (КПД) вторичных источников питания в сравнении с низким КПД аналоговых устройств.

Широтно-импульсная модуляция бывает аналоговой и цифровой.

Аналоговая широтно-импульсная модуляция

Как уже упоминалось выше, частота сигнала и его амплитуда при ШИМ всегда постоянны. Один из важнейших параметров сигнала ШИМ – это коэффициент заполнения, равный отношению длительности импульса t к периоду импульса T . D = t/T . Так, если имеем сигнал ШИМ с длительностью импульса 300 мкс и периодом импульса 1000 мкс, коэффициент заполнения составит 300/1000 = 0,3. Коэффициент заполнения также выражается в процентах, для чего коэффициент заполнения умножается на 100%. По примеру выше процентный коэффициент заполнения составляет 0,3 х 100% = 30%.

Скважность импульса – это отношение периода импульсов к их длительности, т.е. величина, обратная коэффициенту заполнения. S = T/t .

Частота сигнала определяется как величина, обратная периоду импульса, и представляет собой количество полных импульсов за 1 секунду. Для примера выше при периоде 1000 мкс = 0,001 с, частота составляет F = 1/0,001 – 1000 (Гц).

Смысл ШИМ заключается в регулировании среднего значения напряжения путем изменения коэффициента заполнения. Среднее значение напряжения равно произведению коэффициента заполнения и амплитуды напряжения. Так, при коэффициенте заполнения 0,3 и амплитуде напряжения 12 В среднее значение напряжения составит 0,3 х 12 = 3,6 (В). При изменении коэффициента заполнения в теоретически возможных пределах от 0% до 100% напряжение будет изменяться от 0 до 12 В, т.е. Широтно-импульсная модуляция позволяет регулировать напряжение в пределах от 0 до амплитуды сигнала. Что и используется для регулирования скорости вращения электродвигателя постоянного тока или яркости свечения светильника.

Сигнал ШИМ формируется микроконтроллером или аналоговой схемой. Этот сигнал обычно управляет мощной нагрузкой, подключаемой к источнику питания через ключевую схему на биполярном или полевом транзисторе. В ключевом режиме полупроводниковый прибор либо разомкнут, либо замкнут, промежуточное состояние исключается. В обоих случаях на ключе рассеивается ничтожная тепловая мощность. Поскольку эта мощность равна произведению тока через ключ на падение напряжения на нем, а в первом случае к нулю близок ток через ключ, а во втором напряжение.

В переходных состояниях на ключе присутствует значительное напряжение с прохождением значительного тока, т.е. значительна и рассеиваемая тепловая мощность. Поэтому в качестве ключа необходимо применение малоинерционных полупроводниковых приборов с быстрым временем переключения, порядка десятков наносекунд.

Если ключевая схема управляет светодиодом, то при малой частоте сигнала светодиод будет мигать в такт с изменением напряжения сигнала ШИМ. При частоте сигнала выше 50 Гц мигания сливаются вследствие инерции человеческого зрения. Общая яркость свечения светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения – чем ниже коэффициент заполнения, тем слабее светится светодиод.

При управлении посредством ШИМ скорости вращения двигателя постоянного тока частота ШИМ должна быть очень высокой, и лежать за пределами слышимых звуковых частот, т.е. превышать 15-20 кГц, в противном случае двигатель будет «звучать», издавая раздражающий слух писк с частотой ШИМ. От частоты зависит и стабильность работы двигателя. Низкочастотный сигнал ШИМ с невысоким коэффициентом заполнения приведет к нестабильной работе двигателя и даже возможной его остановке.

Тем самым, при управлении двигателем желательно повышать частоту сигнала ШИМ, но и здесь существует предел, определяемый инерционными свойствами полупроводникового ключа. Если ключ будет переключаться с запаздываниями, схема управления начнет работать с ошибками. Чтобы избежать потерь энергии и добиться высокого коэффициента полезного действия импульсного преобразователя, полупроводниковый ключ должен обладать высоким быстродействием и низким сопротивлением проводимости.

Сигнал с выхода ШИМ можно также усреднять посредством простейшего фильтра низких частот. Иногда можно обойтись и без этого, поскольку обладает определенной электрической индуктивностью и механической инерцией. Сглаживание сигналов ШИМ происходит естественным путем в том случае, когда частота ШИМ превосходит время реакции регулируемого устройства.

Реализовать ШИМ можно посредством с двумя входами, на один из которых подается периодический пилообразный или треугольный сигнал от вспомогательного генератора, а на другой модулирующий сигнал управления. Длительность положительной части импульса ШИМ определяется временем, в течение которого уровень управляющего сигнала, подаваемого на один вход компаратора, превышает уровень сигнала вспомогательного генератора, подаваемого на другой вход компаратора.

При напряжении вспомогательного генератора выше напряжения управляющего сигнала на выходе компаратора будет отрицательная часть импульса.

Коэффициент заполнения периодических прямоугольных сигналов на выходе компаратора, а тем самым и среднее напряжение регулятора, зависит от уровня модулирующего сигнала, а частота определяется частотой сигнала вспомогательного генератора.

Цифровая широтно-импульсная модуляция

Существует разновидность ШИМ, называемая цифровой ШИМ. В этом случае период сигнала заполняется прямоугольными подымпульсами, и регулируется уже количество подымпульсов в периоде, что и определяет среднюю величину сигнала за период.

В цифровой ШИМ заполняющие период подымпульсы (или «единички») могут стоять в любом месте периода. Среднее значение напряжения за период определяется только их количеством, при этом подымпульсы могут следовать один за другим и сливаться. Отдельно стоящие подымпульсы приводят к ужесточению режима работы ключа.

В качестве источника сигнала цифровой ШИМ можно использовать COM-порт компьютера с 10-битовым сигналом на выходе. С учетом 8 информационных битов и 2 битов старт/стоп, в сигнале COM-порта присутствует от 1 до 9 «единичек», что позволяет регулировать напряжение в пределах 10-90% напряжения питания с шагом в 10%.

Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.

Классы автомобильных усилителей

Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.

В чем преимущества устройств D-класса

Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.

Сравнение КПД усилителей различных классов

На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.

Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.

Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?

На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.

Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.

Область преимущественного использования

Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.

Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.

Усилитель класса D: схема структурная

Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.

Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня - логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня - высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже.

Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.

Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами

Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее - в классе A.

Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).

Что такое ШИМ-сигнал?

Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.

Схема, генерирующая ШИМ-сигнал

Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.

Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В - логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.

Как генерируется ШИМ-сигнал

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.

На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий - в обратном случае, как показано на рисунке ниже.

В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.

Как восстановить аудиосигнал из ШИМ-сигнала

Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог - теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).

ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

Частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

Высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

Наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

Быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

Интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.