Klasse D Audioverstärker: Was, warum und wie

Amplifikatoren der Klasse D, die erstmals 1958 vorgeschlagen wurden, sind in den letzten Jahren immer beliebter geworden. Was sind Verstärker der Klasse D? Wie vergleichen sie sich mit anderen Arten von Verstärkern? Warum ist die Klasse D von Interesse für Audio? Was wird benötigt, um einen "guten" Audioklasse -D -Verstärker zu erstellen? Was sind die Merkmale der Verstärker -Produkte der ADI -Klasse D? Finden Sie die Antworten auf all diese Fragen auf den folgenden Seiten.

Audioverstärker Hintergrund

Das Ziel von Audioverstärkern ist es, Eingangs-Audiosignale bei schallproduzierenden Ausgangselementen zu reproduzieren, wobei die gewünschten Volumen- und Leistungsstufen glattlich, effizient und bei geringer Verzerrung. Audiofrequenzen reichen von etwa 20 Hz bis 20 kHzTieftöneroder aHochtöner). Die Stromversorgungsfunktionen variieren stark von der Anwendung, von Milliwatt in Kopfhörern über einige Watt im Fernseh- oder PC-Audio, bis hin zu zehn Watts für "Mini" -Stereos und Automobil-Audio, bis Hunderte von Watts und darüber hinaus, um leistungsstärkere Home- und kommerzielle Soundsysteme zu füllen-und zu Auditorien oder Auditorien mit Geräuschen mit Geräuschen mit Klang mit Klang mit Klang mit Klang mit Geräuschen füllen.

Eine einfache analoge Implementierung eines Audioverstärkers verwendet Transistoren im linearen Modus, um eine Ausgangsspannung zu erstellen, die eine skalierte Kopie der Eingangsspannung ist. Die Vorwärtsspannungsverstärkung ist normalerweise hoch (mindestens 40 dB). Wenn der Vorwärtsgewinn Teil einer Rückkopplungsschleife ist, ist der GesamtSchleifengewinnwird auch hoch sein. Feedback wird häufig verwendet, da eine hohe Schleifenverstärkung die durch Nichtlinearitäten im Vorwärtsweg verursachte Leistungsunterdrückungsverzerrung verbessert und die Stromversorgungsrauschen durch Erhöhen der Stromversorgungsabstoßung (PSR) verringert.

Der Verstärker -Vorteil der Klasse D.

In einem konventionellen Transistorverstärker derAusgangsstufeEnthält Transistoren, die den momentanen kontinuierlichen Ausgangsstrom liefern. Zu den vielen möglichen Implementierungen für Audiosysteme gehören Klassen A, AB und B. im Vergleich zuKlasse dKonstruktionen, die Ausgangsstufe-Leistungsdissipation ist selbst in der effizientestenlinearAusgabestadien. Dieser Unterschied gibt in vielen Anwendungen erhebliche Vorteile der Klasse D, da die niedrigere Stromversorgung weniger Wärme erzeugt, Platz und Kosten spart und die Akkulaufzeit in tragbaren Systemen verlängert.

Lineare Verstärker, Verstärker der Klasse D und Leistungsdissipation

Die Ausgangsstadien für lineare Verstärker sind direkt mit dem Lautsprecher verbunden (in einigen Fällen über Kondensatoren). Wenn in der Ausgangsstufe bipolare Junction-Transistoren (BJTs) verwendet werden, arbeiten sie im Allgemeinen im linearen Modus mit großen Collector-Emitter-Spannungen. Die Ausgangsstufe könnte auch mit MOS -Transistoren implementiert werden, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Abbildung 1. CMOS Linear Ausgangsstufe.

Die Leistung wird in allen linearen Ausgangsstadien abgelöst, da der ErzeugungsprozessV_AUS Unvermeidlich verursacht ungleich NullI_Ds UndV_Ds in mindestens einem Ausgangstransistor. Die Menge an Stromausfall hängt stark von der Methode ab, mit der die Ausgangstransistoren verzerrt werden.

DerKlasse aDie Topologie verwendet einen der Transistoren als Gleichstromquelle, der den vom Sprecher erforderlichen maximalen Audiostrom liefern kann. Eine gute Klangqualität ist mit der Ausgangsstufe der Klasse A möglich, aber die Stromversorgung ist übermäßig, da ein großer Gleichstrom-Vorspannungsstrom normalerweise im Ausgangsstufe fließtTransistoren(wo wir es nicht wollen), ohne an die geliefert zu werdenLautsprecher(wo wir es wollen).

DerKlasse bDie Topologie beseitigt den DC -Vorspannungsstrom und löst deutlich weniger Leistung auf. Seine Ausgangstransistoren werden individuell auf Push-Pull-Weise gesteuert, sodass das MH-Gerät dem Lautsprecher positive Ströme liefern kann, und ML, um negative Ströme zu versenken. Dies reduziert die Ausgangsbühnenleistung, wobei nur der Signalstrom über die Transistoren durchgeführt wird. Die Klasse -B -Schaltung hat jedoch aufgrund eines nichtlinearen Verhaltens eine minderwertige Klangqualität (Crossover -Verzerrung) Wenn der Ausgangsstrom durch Null fließt und die Transistoren zwischen den Ein- und Aus -Bedingungen verändern.

Klasse ABEin Hybrid -Kompromiss von den Klassen A und B verwendet einen DC -Vorspannungsstrom, aber viel weniger als ein reines Design der Klasse A. Der kleine Gleichstrom -Vorspannungsstrom reicht aus, um eine Verzerrung zu verhindern und eine gute Klangqualität zu ermöglichen. Die Leistungsdissipation ist zwar zwischen den Grenzen der Klasse A und der Klasse B, typischerweise näher an der Klasse B., ähnlich wie die der Klasse B der Klasse B, ist erforderlich, damit die Klasse AB -Schaltung große Ausgangsströme liefern oder versenken.

Leider hat selbst ein gut gestalteter Verstärker der Klasse AB eine erhebliche Leistungsableitung, da seine Ausgangsspannungen im mittleren Bereich im Allgemeinen weit von den positiven oder negativen Versorgungsschienen entfernt sind. Die großen Drain-Source-Spannungsabfälle erzeugen somit signifikantI_Ds × V_DsInstantane Leistung Dissipation.

Dank einer anderen Topologie (Abbildung 2) dieKlasse dDer Verstärker löst viel weniger Leistung als alle oben genannten. Die Ausgangsbühne wechselt zwischen den positiven und negativen Stromversorgungen, um einen Zug von Spannungsimpulsen zu erzeugen. Diese Wellenform ist gutartig für die Leistungsdissipation, da die Ausgangstransistoren beim Nicht -Schalten keinen Strom haben und niedrig sindV_Ds Wenn sie Strom durchführen und so kleiner gebenI_Ds × V_Ds.

Abbildung 2. Klasse D Open-Loop-Stuper-Blockdiagramm.

Da die meisten Audiosignale keine Impulszüge sind, muss ein Modulator einbezogen werden, um den Audioeingang in Impulse umzuwandeln. Der Frequenzgehalt der Impulse umfasst sowohl das gewünschte Audiosignal als auch signifikante Hochfrequenzenergie im Zusammenhang mit dem Modulationsprozess. Ein Tiefpassfilter wird häufig zwischen der Ausgangsstufe und dem Lautsprecher eingefügt, um die elektromagnetische Interferenz (EMI) zu minimieren und den Lautsprecher mit zu viel hoher Frequenzenergie zu fahren. Der Filter (Abbildung 3) muss verlustlos (oder fast so) sein, um den Leistungsdissipationsvorteil der Schaltausgangsstufe beizubehalten. Der Filter verwendet normalerweise Kondensatoren und Induktoren, wobei das einzige absichtlich dissipative Element der Sprecher ist.

Abbildung 3..

Abbildung 4 vergleicht ideale Ausgangsstadienleistung (Dissipation (P_Diss) Für Verstärker der Klasse A und der Klasse B mit gemessener Dissipation für den AD1994 -Verstärker der Klasse D, das gegen die an den Sprecher gelieferte Macht aufgetragen wurde (P_LADEN), bei einem Audio-Frequenz-Sinus-Wellensignal. Die Leistungszahlen werden auf die Leistungsstufe normalisiert,P_LADENMax, bei dem der Sinus genug abgeschnitten ist, um 10% der gesamten harmonischen Verzerrung (THD) zu verursachen. Die vertikale Linie zeigt die anP_LADENauf welchem ​​Clipping beginnt.

Abbildung 4. Leistungsdissipation in den Ausgangsstufen der Klasse A, Klasse B und D.

Signifikante Unterschiede in der Leistungsdissipation sind für einen weiten Lastenbereich sichtbar, insbesondere bei hohen und moderaten Werten. Zu Beginn des Ausschneidens beträgt die Ableitung in der Ausgangsstufe der Klasse D etwa 2,5-mal weniger als die Klasse B und 27-mal weniger als Klasse A. Beachten Sie, dass in der Ausgangsstufe der Klasse A mehr Strom verbraucht wird, als an den Lautsprecher geliefert wird-eine Folge der Verwendung des großen Gleichstromverzögerungsstroms.

Effizienz des Ausgangsstadiums,Eff, ist definiert als

Zu Beginn des Ausschneidens,Eff= 25% für den Verstärker der Klasse A, 78,5% für den Verstärker der Klasse B und 90% für den Verstärker der Klasse D (siehe Abbildung 5). Diese Best-Case-Werte für Klasse A und Klasse B sind die häufig in Lehrbüchern zitierten.

Abbildung 5. Leistungseffizienz der Ausgangsstufen der Klasse A, Klasse B und D.

Die Unterschiede in der Stromversorgung und der Effizienz erweitern sich bei moderaten Leistungsniveaus. Dies ist wichtig für Audio, da langfristige Durchschnittsniveaus für laute Musik viel niedriger sind (je nach Art der Musik) als die momentanen Spitzenwerte, die sich nähernP_LADENMax. So für Audioverstärker [P_LADEN = 0.1 × P_LADENMax] ist ein angemessenes durchschnittliches Leistungsniveau, an dem man bewertet werden mussP_Diss. Auf dieser Ebene ist die Dissipation des Ausgangsstadiums der Klasse D neunmal geringer als die Klasse B und 107-mal weniger als Klasse A.

Für einen Audioverstärker mit {10- wP_LADENMaxein DurchschnittP_LADENvon 1 W kann als realistisches Hörstufe angesehen werden. Unter dieser Bedingung wird 282 MW innerhalb der Ausgangsstufe der Klasse D abgeleitet, gegenüber 2,53 W für Klasse B und30.2 WFür Klasse A wird in diesem Fall der Effizienz der Klasse D von 90% bei höherer Leistung auf 78% reduziert. Aber auch 78% sind viel besser als die Effizienz der Klasse B und der Klasse A -28% bzw. 3%.

Diese Unterschiede haben wichtige Konsequenzen für die Systemdesign. Für Leistungsstufen über 1 W erfordert die übermäßige Ableitung linearer Ausgangsstadien erhebliche Kühlmaße, um nicht akzeptable Erwärmung typisch zu vermeiden, indem große Metallplatten als Kühlkörper oder Lüfter über den Verstärker blasen. Wenn der Verstärker als integrierter Schaltkreis implementiert wird, ist möglicherweise ein sperriges und teures thermisch verbessertes Paket erforderlich, um die Wärmeübertragung zu erleichtern. Diese Überlegungen sind bei Konsumgütern wie Flachbildfernsehern belastend, wo der Platz in einem hochwertigen Audio der Automobile liegt und bei dem der Trend dazu liegt, höhere Kanalzählungen in einen festen Raum zu drehen.

Bei Leistungsstufen unter 1 W kann die Verschwendung eher Schwierigkeiten als Wärmeerzeugung haben. Wenn eine Batterie angetrieben wird, würde eine lineare Ausgangsstufe die Batterieladung schneller abtropfen als ein Design der Klasse D. Im obigen Beispiel konsumiert die Ausgangsphase der Klasse D 2,8-mal weniger Versorgungsstrom als die Klasse B und 23,6-mal weniger als die Klasse A-Aufnahme zu einem großen Unterschied in der Lebensdauer von Batterien, die in Produkten wie Mobiltelefonen, PDAs und MP3-Playern verwendet werden.

Der Einfachheit halber hat sich die bisherige Analyse ausschließlich auf den Verstärker konzentriertAusgabeStufen. Wenn jedoch alle Quellen der Stromversorgung im Verstärkersystem berücksichtigt werden, können sich lineare Verstärker mit Verstärkern der Klasse D bei niedrigen Ausgangsleistungen günstiger vergleichen. Der Grund dafür ist, dass die für die Erzeugung und Modulation der Schaltwellenform erforderliche Leistung bei niedrigen Niveaus signifikant sein kann. Daher kann die systemweite ruhende Dissipation von gut gestalteten Verstärkern mit niedrig bis mittelschwerer Kraft-AB-Klasse sie mit Verstärkern der Klasse D konkurrenzfähig machen. Die Leistungsdissipation der Klasse D ist jedoch für die höheren Ausgangsleistungsbereiche zweifellos überlegen.

Verstärker-Terminologie der Klasse D und differentielle vs. Ein-endete Versionen

Abbildung 3 zeigt eine unterschiedliche Implementierung der Ausgangstransistoren und des LC -Filters in einem Verstärker der Klasse D. DasH-Brückehat zweiHalbbrückeSchaltkreise, die dem Filter, der zwei Induktoren, zwei Kondensatoren und den Lautsprecher umfasst, Impulse mit entgegengesetzter Polarität versorgen. Jede Halbbrücke enthält zwei Ausgangstransistoren-ein Hochtanschlag (MH), das mit der positiven Stromversorgung verbunden ist, und einen mit der negativen Versorgung verbundenen Nieder-Seite-Transistor (ML). Die Diagramme hier zeigen hohe SeitepMOS -Transistoren. HochseitignMOS-Transistoren werden häufig verwendet, um Größe und Kapazität zu verringern, aber zur Steuerung von Spezialantriebstechniken sind jedoch erforderlich (weitere Lesung 1).

Full H-Bridge-Schaltungen werden im Allgemeinen aus einer einzigen Versorgung (v_Dd) mit Boden für den negativen Versorgungsterminal (v_Ss). Für eine gegebene v_Ddund v_SsDie unterschiedliche Natur der Brücke bedeutet, dass sie das doppelte Ausgangssignal und die vierfache Ausgangsleistung von Einlagen-Implementierungen liefern kann. Halbbrückenschaltungen können aus bipolaren Stromversorgungen oder einer einzigen Versorgung mitgeteilt werden, aber die Einzelversion-Version führt eine potenziell schädliche Gleichspannungsspannung, v_Dd\/2, über den Lautsprecher, es sei denn, ein blockierender Kondensator wird hinzugefügt.

Die Stromversorgungsspannungsbusse von Halbbrückenschaltungen können durch große Induktorströme aus dem LC-Filter über ihre Nennwerte hinaus "gepumpt" werden. Der DV\/DT des Pumptransienten kann durch Zugabe großer Entkopplungskondensatoren zwischen V begrenzt werden_Ddund v_Ss. Schaltkreise in Vollbrücke leiden nicht unter dem Buspumpen, da der Induktorstrom, der in eine der Halbbrücken fließt, aus dem anderen fließt und eine lokale Stromschleife erzeugt, die die Netzteile minimal stört.

Faktoren im Audioklasse D -Verstärkerdesign

Die Abteilung mit niedrigerer Leistung bietet eine starke Motivation, die Klasse D für Audioanwendungen zu verwenden, aber es gibt wichtige Herausforderungen für den Designer. Dazu gehören:

Auswahl der Ausgangstransistorgröße

Ausgangsstufeschutz

Klangqualität

Modulationstechnik

EMI

LC -Filterdesign

Systemkosten

Auswahl der Ausgangstransistorgröße

Die Größe des Ausgangstransistors wird ausgewählt, um die Stromversorgung über einen weiten Bereich der Signalbedingungen zu optimieren. Das sicherstellenV_Dsbleibt klein, wenn es groß läuftI_Ds erfordert den Widerstand (R_AN) der Ausgabetransistoren klein sein (typischerweise {{0}}. 1 ohm bis 0,2 Ohm). Dies erfordert jedoch große Transistoren mit einer signifikanten Gate -Kapazität (C_G). Die Gate-Drive-Schaltung, die die Kapazität umschaltetCv²f, WoC ist die Kapazität,V ist die Spannungsänderung während des Ladens undf ist die Schaltfrequenz. Dieser "Schaltverlust" wird zu übermäßig, wenn die Kapazität oder die Frequenz zu hoch ist, sodass praktische obere Grenzen bestehen. Die Wahl der Transistorgröße ist daher ein Kompromiss zwischen der MinimierungI_Ds × V_Ds Verluste während der Leitung vs. MinimierungUmschaltenVerluste. Leitfähige Verluste dominieren die Leistung und Effizienz der Stromversorgung bei hohen Ausgangsleistung, während die Ableitungen durch Schaltverluste bei niedrigen Ausgangsniveaus dominiert werden. Hersteller von Stromtransistoren versuchen, die zu minimierenR_AN × C_G Produkt ihrer Geräte zur Reduzierung der Gesamtleistung in der Schaltanwendungen und zur Flexibilität bei der Auswahl der Schaltfrequenz.

Schutz der Ausgangsstufe

Die Ausgangsstufe muss vor einer Reihe potenziell gefährlicher Bedingungen geschützt werden:

Überhitzung: Die Leistungsdissipation der Klasse D der Klasse D kann zwar niedriger als der von linearen Verstärkern, aber immer noch Pegel erreichen, die die Ausgangstransistoren gefährden, wenn der Verstärker gezwungen ist, lange Zeit sehr hohe Leistung zu liefern. Um vor gefährlicher Überhitzung zu schützen, ist die Steuerung der Temperaturüberwachung erforderlich. In einfachen Schutzschemata wird die Ausgangsstufe abgeschaltet, wenn ihre Temperatur gemessen, die durch einen On-Chip-Sensor gemessen wird, aThermal-ShutdownSicherheitsschwelle und wird ausgehalten, bis sie abkühlt. Der Sensor kann zusätzliche Temperaturinformationen liefern, abgesehen von der einfachen binären Anzeige darüber, ob die Temperatur den Abschaltschwellenwert überschritten hat. Durch Messung der Temperatur kann die Steuerschaltung das Volumenniveau allmählich verringern, die Leistung der Stromversorgung verringern und die Temperatur bei thermischen Schalteignissen in den Grenzen des Stillens der Wahrnehmungszeiträume der Schweigen in den Grenzen halten.

Übermäßiger Stromfluss in den Ausgangstransistoren: Das TiefAnDer Widerstand der Ausgangstransistoren ist kein Problem, wenn die Ausgangsstufe und die Lautsprecherterminals ordnungsgemäß verbunden sind, aber enorme Ströme können sich ergeben, wenn diese Knoten versehentlich kurzfristig zueinander oder zu den positiven oder negativen Stromversorgungen sind. Bei deaktiviertem Versuch können solche Strömungen die Transistoren oder die umliegenden Schaltkreise beschädigen. Infolgedessen ist eine Stromerschwingungs-Ausgangstransistorschutzschaltung erforderlich. Bei einfachen Schutzschemata wird die Ausgangsstufe abgeschaltet, wenn die Ausgangsströme einen Sicherheitsschwellenwert überschreiten. In ausgefeilteren Schemata wird der Strom-Sensor-Ausgang wieder in den Verstärker sucht, um den Ausgangsstrom auf ein maximales sicheres Niveau zu beschränken, wobei der Verstärker kontinuierlich laufen kann, ohne zu schließen. In diesen Systemen kann das Abschalten als letztes Mittel erzwungen werden, wenn sich die versuchte Begrenzung als unwirksam erweist. Effektive Strombegrenzer können den Verstärker aufgrund von Sprecherresonanzen auch in Anwesenheit von momentan großen vorübergehenden Strömungen sicher laufen lassen.

Unterspannung: Die meisten Schaltkreise der Ausgangsbühne funktionieren nur gut, wenn die positiven Stromversorgungsspannungen hoch genug sind. Probleme ergeben sich, wenn es eine gibtUnterspannungZustand, wo die Vorräte zu niedrig sind. Dieses Problem wird allgemein von einem behandeltUnterspannungssperrungSchaltung, der es den Ausgangsstadien nur dann ermöglicht, wenn die Stromversorgungsspannungen über einem Unterspannungs-Lockout-Schwellenwert liegen.

Ausgangstransistor Timing Timing: Die Transistoren der MH- und ML -Ausgangsstufe (Abbildung 6) haben sehr niedrigAnWiderstand. Es ist daher wichtig, Situationen zu vermeiden, in denen sowohl MH als auch ML gleichzeitig eingeschaltet sind, da dies einen geringen Resistenzweg von V erzeugen würde_Ddan v_Ssdurch die Transistoren und eine großeSchießenaktuell. Bestenfalls werden die Transistoren erwärmt und Strom verschwenden. Im schlimmsten Fall können die Transistoren beschädigt werden.Break-For-MakeDie Kontrolle der Transistoren verhindert den Durchgangsbedingung, indem beide Transistoren vor dem Einschalten des Durchmischens gezwungen werden. Die Zeitintervalle, in denen beide Transistoren ausgeschaltet sindNicht -ÜberlistenzeitoderTote Zeit.

Abbildung 6. Break-vor-Make-Wechsel von Ausgangsstadientransistoren.

Klangqualität

Mehrere Probleme müssen angegangen werden, um eine gute Gesamtklangqualität in Verstärkern der Klasse D zu erreichen.

Klicks und Pops, die auftreten, wenn der Verstärker ein- oder ausgeschaltet wird, kann sehr nervig sein. Leider sind sie jedoch leicht in einen Verstärker der Klasse D einzuführen, es sei denn, der Modulierungszustand, den Ausgangsstufe Timing und den LC-Filterzustand, wenn der Verstärker gedämpft oder unverändert ist.

Signal-Rausch-Verhältnis (SNR):Um hörbare Zischen aus dem Verstärker-Rauschenboden zu vermeiden, sollte SNR in der Regel 90 dB in Verstärkern mit geringer Leistung für tragbare Anwendungen, 100 dB für Mittelleistungskonstruktionen und 110 dB für Hochleistungsdesigns überschreiten. Dies ist für eine Vielzahl von Verstärker -Implementierungen erreichbar, aber einzelne Rauschquellen müssen während des Verstärkerdesigns verfolgt werden, um eine zufriedenstellende Gesamt -SNR zu gewährleisten.

Verzerrungsmechanismen:Dazu gehören Nichtlinearitäten in der Modulationstechnik oder in der Implementierung des Modulators und die in der Ausgangsstufe verwendete Zeit, um das Stromproblem zu lösen.

Die Informationen über die Audiosignalpegel sind im Allgemeinen in den Breiten des Ausgangsimpulse des Klasse D -Modulators codiert. Durch das Hinzufügen von Totalzeiten zur Verhinderung der Ausgangsbühne durch Shoot-through-Ströme führt ein nichtlinearer Zeitfehler, der im Verhältnis zum Zeitpunkt der idealen Impulsbreite eine Verzerrung am Lautsprecher im Verhältnis zum Zeitpunkt erzeugt. Die kürzeste tote Zeit, die es vermeidet, ist oft am besten, um Verzerrungen zu minimieren. Weitere Informationen zur Optimierung der Verzerrungsleistung von Schaltungsstufen finden Sie weiter.

Weitere Verzerrungsquellen sind: Nichtübereinstimmung der Anstiegs- und Fallzeiten in den Ausgangsimpulsen, Nichtübereinstimmung in den Zeitmerkmalen für die Ausgangstransistor-Gate-Schaltkreise und Nichtlinearitäten in den Komponenten des LC-Tiefpassfilters.

Ablehnung der Leistungsversorgung (PSR):In der Schaltung von Abbildung 2 ist das Stromversorgungsgeräusch mit sehr wenig Abstoßung fast direkt zum Lautsprecher. Dies tritt auf, weil die Transistoren der Ausgangsstufe die Netzteile durch einen sehr niedrigen Widerstand an den Tiefpassfilter verbinden. Der Filter lehnt Hochfrequenzrauschen ab, ist jedoch so konzipiert, dass sie alle Audiofrequenzen, einschließlich Rauschen, bestehen. Weitere Informationen finden Sie unter dem Effekt des Stromversorgungsrauschens in Einzel- und Differentialschaltungsschaltkreisen für eine gute Beschreibung des Effekts von Stromversorgungsrauschen.

Wenn weder Verzerrungen noch Machtversorgungsprobleme angegangen werden, ist es schwierig, PSR besser zu erreichen als 1 0 db oder eine totale harmonische Verzerrung (THD) besser als 0,1%. Schlimmer noch, die THD neigt dazu, die schlimm klingende Art von hoher Ordnung zu sein.

Glücklicherweise gibt es gute Lösungen für diese Probleme. Die Verwendung von Feedback mit hohem Schleifengewinn (wie in vielen linearen Verstärkerentwürfen) hilft sehr. Feedback aus dem LC-Filtereingang verbessert die PSR erheblich und dämpft alle Nicht-LC-Filter-Verzerrungsmechanismen. LC -Filter -Nichtlinearitäten können durch Einbeziehung des Sprechers in die Rückkopplungsschleife abgeschwächt werden. Die Klangqualität von audiophiler Qualität mit PSR> 6 0 db und thd <0,01% ist in gut gestalteten Verstärkern der Klasse D mit geschlossenem Loop erreichbar.

Feedback erschwert jedoch das Verstärkerdesign, da die Schleifenstabilität angegangen werden muss (eine nicht triviale Überlegung für das Design hoher Ordnung). Außerdem ist analoges Feedback kontinuierlicher Zeit erforderlich, um wichtige Informationen zu Timing-Fehlern im Puls zu erfassen. Daher muss die Kontrollschleife analoge Schaltkreise enthalten, um das Rückkopplungssignal zu verarbeiten. In Integrated-Circuit-Verstärker-Implementierungen kann dies zu den Stanzkosten beitragen.

Um die IC -Kosten zu minimieren, bevorzugen einige Anbieter es vor, den Analogschaltungsgehalt zu minimieren oder zu beseitigen. Einige Produkte verwenden einen digitalen Open-Loop-Modulator sowie einen Analog-zu-Digital-Wandler, um Leistungsversorgungsvariationen zu erfassen-und das Verhalten des Modulators anpassen, um dies in weiteren Lesen zu kompensieren. Andere digitale Modulatoren versuchen, für die erwarteten Ausgangsstufe Timing -Fehler vorzuversetzen, oder korrigieren Sie die Nichtidealitäten des Modulators. Dies kann zumindest teilweise einige Verzerrungsmechanismen ansprechen, aber nicht alle. Anwendungen, die relativ entspannte Anforderungen in der Qualität in Schallqualität tolerieren, können von solchen Verstärkern der Open-Loop-Klasse D erledigt werden, aber eine Form von Feedback scheint für die beste Audioqualität erforderlich zu sein.

Modulationstechnik

Modulatoren der Klasse D können in vielerlei Hinsicht implementiert werden, unterstützt durch eine große Menge verwandter Forschung und geistiges Eigentum. In diesem Artikel werden nur grundlegende Konzepte eingeführt.

Alle Modulationstechniken der Klasse D codieren Informationen über das Audiosignal in einen Impulsstrom. Im Allgemeinen der PulsBreitensind mit der Amplitude des Audiosignals verknüpft, und das Spektrum der Impulse enthält das gewünschte Audiosignal sowie unerwünschte (aber unvermeidbare) Hochfrequenzinhalt. Die gesamte integrierte Hochfrequenzleistung in allen Schemata ist ungefähr gleich, da die Gesamtleistung in den Zeitdomänenwellenformen ähnlich ist, und durch Parsevals Theorem die Leistung in der Zeitdomäne in der Frequenzdomäne gleich Leistung. Die Energieverteilung variiert jedoch stark: In einigen Schemata gibt es hohe Energietöne auf einem niedrigen Rauschboden, während in anderen Schemata die Energie geformt wird, so dass die Töne beseitigt werden, der Rauschboden jedoch höher ist.

Die häufigste Modulationstechnik istPulsbreitenmodulation(PWM). Konzeptionell vergleicht PWM das Eingangs -Audiosignal mit einer dreieckigen oder rampen Wellenform, die bei einem festen Ablauf läuftTrägerFrequenz. Dies erzeugt einen Impulsstrom bei der Trägerfrequenz. Innerhalb jeder Periode des Trägers ist das Arbeitsverhältnis des PWM -Impulses proportional zur Amplitude des Audiosignals. Im Beispiel von Abbildung 7 sind die Audioeingabe und die dreieckige Welle um 0 V zentriert, so dass für 0 Eingabe das Arbeitsverhältnis der Ausgabepulse 5 0%beträgt. Bei großen positiven Input ist es nahezu 100% und bei großen negativen Eingaben nahe 0%. Wenn die Audioamplitude die der Dreieckswelle überschreitet,vollständige Modulationtritt auf, wenn der Pulszug aufhört zu wechseln, und das Arbeitsverhältnis innerhalb einzelner Zeiträume entweder 0% oder 100% beträgt.

Abbildung 7. PWM -Konzept und Beispiel.

PWM ist attraktiv, da es 100- dB oder besseres Audio-Band-SNR bei PWM-Trägerfrequenzen von einigen hundert Kilohertz-Tiefen ist, die so weit genug sind, um die Schaltverluste in der Ausgangsstufe zu begrenzen. Außerdem sind viele PWM-Modulatoren bis zu einer Modulation von nahezu 100% stabil, was im Konzept einen hohen Ausgangsschub bis zur Überlastung ermöglicht. PWM hat jedoch mehrere Probleme: Erstens fügt der PWM -Prozess in vielen Implementierungen eine Verzerrung hinzu (weitere Lesen 4); Als nächstes erzeugen die Harmonischen der PWM -Trägerfrequenz EMI innerhalb der AM -Radioband. Und schließlich werden PWM -Impulsbreiten in der Nähe der vollen Modulation sehr klein. Dies führt zu Problemen bei den meisten Schaltkreisen für Gate-Fahrerschaltungen für den Ausgangsstadium-mit ihrer begrenzten Antriebsfähigkeit können sie bei den übermäßigen Geschwindigkeiten, die zur Reproduktion von kurzen Impulsen mit Breiten einiger Nanosekunden erforderlich sind, nicht ordnungsgemäß wechseln. Infolgedessen ist die vollständige Modulation in Verstärkern auf PWM-Basis häufig unerreichbar und begrenzt die maximal erreichbare Ausgangsleistung auf etwas weniger als das theoretische Maximum, das nur die Stromversorgungsspannung berücksichtigt, Transistor, TransistorAnWiderstand und Sprecherimpedanz.

Eine Alternative zu PWM istPulsdichtemodulation(PDM), in dem die Anzahl der Impulse in einem bestimmten Zeitfenster proportional zum Durchschnittswert des Eingangs -Audiotonsignals ist. Einzelne Impulsbreiten können nicht wie bei PWM willkürlich sein, sondern werden stattdessen "quantisiert", um Multiplikat der Modulator -Taktzeit zu multiplizieren. 1- Bit Sigma-Delta-Modulation ist eine Form von PDM.

Ein Großteil der Hochfrequenzenergie in Sigma-Delta wird über einen weiten Bereich von Frequenzen verteilt-nicht in Tönen bei Vielfachen einer Trägerfrequenz konzentriert, wie in der PWM-prohischen Sigma-Delta-Modulation mit einem potenziellen EMI-Vorteil gegenüber PWM. Energie existiert immer noch bei Bildern der PDM -Abtastaktuhrenfrequenz; Bei typischen Taktfrequenzen von 3 MHz bis 6 MHz befinden sich die Bilder jedoch außerhalb des Audiofrequenzbandes-und werden vom LC-Tiefpassfilter stark abgeschwächt.

Ein weiterer Vorteil von Sigma-Delta besteht darin, dass die minimale Impulsbreite eine Probenahmungszeitraum ist, selbst wenn Signalbedingungen, die sich der vollständigen Modulation nähern,. Dies erleichtert das Design der Gate-Fahrer und ermöglicht den sicheren Betrieb theoretischer Vollmacht. Trotzdem wird 1- Bit-Sigma-Delta-Modulation in Verstärkern der Klasse D nicht häufig verwendet (weitere Lesen 4), da die konventionellen 1- -Bitmodulatoren nur auf 50% moduliert sind. Außerdem sind mindestens 64 × Überabtastung erforderlich, um eine ausreichende Audio-Band-SNR zu erreichen, sodass die typischen Ausgangsdatenraten mindestens 1 MHz betragen und die Stromversorgungseffizienz begrenzt ist.

Kürzlich,sich selbst oszillierendEs wurden Verstärker entwickelt, wie die in weiteren Lektüren 5. Diese Art von Verstärker enthält immer eine Rückkopplungsschleife, wobei die Eigenschaften der Schleife die Schaltfrequenz des Modulators anstelle einer extern bereitgestellten Uhr bestimmen. Hochfrequenzenergie ist oft gleichmäßiger verteilt als in PWM. Dank des Feedbacks ist eine hervorragende Audioqualität möglich, aber die Schleife ist selbstabzweig. Daher ist es schwierig, mit allen anderen Schaltkreisen zu synchronisieren oder mit digitalen Audioquellen eine Verbindung herzustellen, ohne das Digitale zuerst in Analog zu konvertieren.

Die Modulation "3-} status" kann die Modulation "3- Status" verwenden, um die differentielle EMI zu reduzieren. Mit herkömmlichem Differentialbetrieb muss die Ausgangspolarität von Halbbrücken A entgegengesetzt zu der von Halbbrücken B. und A Tief mit B hoch. Es existieren jedoch zwei zusätzliche Common-Mode-Zustände, in denen beide Halbbrückenausgänge die gleiche Polarität sind (sowohl hoch als auch beide niedrig). Einer davonCommon-ModeZustände können in Verbindung mit den Differentialzuständen verwendet werden, um {{0}} Statusmodulation zu erzeugen, wobei die Differentialeingabe zum LC -Filter positiv sein kann, 0 oder negativ. Der Status 0 kann verwendet werden, um niedrige Leistungsniveaus darzustellen, anstatt zwischen dem positiven und negativen Zustand wie in einem 2- -Statum zu wechseln. Im LC-Filter tritt während des 0-Zustands nur sehr wenig unterschiedliche Aktivitäten auf, wodurch die differentielle EMI reduziert wird, obwohl sie tatsächlich die EMI des gemeinsamen Modus erhöhen. Der unterschiedliche Nutzen gilt nur bei geringem Stromniveau, da die positiven und negativen Zustände weiterhin verwendet werden müssen, um dem Sprecher erhebliche Leistung zu liefern. Die variierende Spannungsebene in 3- Statusmodulationsschemata stellt eine Design-Herausforderung für Verstärker mit geschlossenem Schleife dar.

Zähle emi

Die Hochfrequenzkomponenten des Verstärkers der Klasse D geben ernsthafte Überlegungen aus. Wenn diese Komponenten nicht richtig verstanden und verwaltet werden, können sie große Mengen an EMI erzeugen und den Betrieb anderer Geräte stören.

Zwei Arten von EMI sind besorgniserregend: Signale, die in den Weltraum ausstrahlt werden, und diejenigen, die über Lautsprecher- und Stromversorgungsdrähte durchgeführt werden. Das Modulationsschema der Klasse D bestimmt aGrundlinieSpektrum der Komponenten von durchgeführten und ausgestrahlten EMI. Einige Designtechniken auf Brettebene können jedoch verwendet werden, um den EMI trotz des Basisspektrums durch einen Verstärker der Klasse D zu verringern.

Ein nützliches Prinzip besteht darin, den Bereich von Schleifen zu minimieren, die Hochfrequenzströme tragen, da die Stärke der damit verbundenen EMI mit dem Schleifenbereich und der Nähe von Schleifen zu anderen Schaltungen zusammenhängt. Zum Beispiel sollte der gesamte LC -Filter (einschließlich der Lautsprecherverkabelung) so kompakt wie möglich angelegt und nahe am Verstärker gehalten werden. Spuren für das aktuelle Antriebs- und Rückgabefaden sollten zusammengehalten werden, um Schleifenbereiche zu minimieren (mit verdrehten Paaren für die Lautsprecherdrähte ist hilfreich). Ein weiterer Fokussierort liegt auf den großen Ladungstransienten, die beim Umschalten der Gate-Kapazität der Transistoren des Ausgangsstadiums auftreten. Im Allgemeinen stammt diese Gebühr von aReservoirKapazität, bildet eine Stromschleife, die beide Kapazitäten enthält. Der EMI -Einfluss von Transienten in dieser Schleife kann durch Minimieren des Schleifenbereichs verringert werden, was bedeutet, dass die Reservoirkapazität so genau wie möglich an den Transistor (en) aufgeladen wird.

Manchmal ist es hilfreich, HF -Würge in Reihe mit den Netzteilen für den Verstärker einzufügen. Ordnungsgemäß platziert sie können hochfrequente Transientenströme auf lokale Schleifen in der Nähe des Verstärkers beschränken, anstatt für lange Entfernungen in den Stromversorgungsdrähten durchgeführt zu werden.

Wenn die nicht überlappende Gate-Drive-Zeit sehr lang ist, können die induktiven Ströme aus dem Lautsprecher oder LC-Filter parasitäre Dioden an den Klemmen der Transistoren des Ausgangsstadiums vorwärts-Vorwärtsdoden können. Wenn die nicht überlappende Zeit endet, wird die Verzerrung der Diode von vorwärts nachwärts geändert. Große Spikes für umgekehrte Wiederherstellungen können fließen, bevor die Diode vollständig ausgeschaltet wird, wodurch eine problematische Quelle von EMI erzeugt wird. Dieses Problem kann minimiert werden, indem die nicht überlappende Zeit sehr kurz bleibt (auch empfohlen, die Verzerrung des Audio zu minimieren). Wenn das Reverse-Recovery-Verhalten immer noch inakzeptabel ist, können Schottky-Dioden mit den parasitären Dioden des Transistors entspricht, um die Ströme abzulenken und die parasitäre Diode jemals einzuschalten. Dies hilft, weil die Metall-Semiconductor-Übergänge von Schottky-Dioden gegen Reverse-Recovery-Effekte immun sind.

LC -Filter mit toroidalen Induktorkernen können Streat -Feldlinien minimieren, die sich aus Verstärkerströmen ergeben. Die Strahlung aus dem billigerenTrommelKerne können durch Abschirmung reduziert werden, ein guter Kompromiss zwischen Kosten und EMI-Leistung-Wenn Sie sicherstellen, dass die Abschirmung die Linearität und die Klangqualität beim Lautsprecher nicht inakzeptabel beeinträchtigt.

LC -Filterdesign

Um Kosten- und Board-Space zu sparen, sind die meisten LC-Filter für Verstärker der Klasse D im zweiten Ordnung mit niedrigem Pass-Designs. Abbildung 3 zeigt die differentielle Version eines LC-Filters zweiter Ordnung. Der Sprecher dient dazu, die inhärente Resonanz des Schaltkreises zu feuchten. Obwohl die Lautsprecherimpedanz manchmal als einfacher Widerstand angenähert wird, ist die tatsächliche Impedanz komplexer und kann signifikante reaktive Komponenten enthalten. Für beste Ergebnisse im Filterdesign sollte man immer versuchen, ein genaues Lautsprechermodell zu verwenden.

Eine gemeinsame Wahl des Filterdesigns ist es, die niedrigste Bandbreite zu erreichen, für diesinkenIn der Filterantwort bei der höchsten Audiofrequenz von Interesse wird minimiert. Ein typischer Filter hat 40- kHz Butterworth -Antwort (um ein maximal flaches Passband zu erzielen), wenn eine Herstellung von weniger als 1 dB für Frequenzen bis zu 20 kHz erwünscht ist. Die nominalen Komponentenwerte in der Tabelle ergeben eine ungefähre Butterworth -Antwort für gemeinsame Lautsprecherimpedanzen und Standard -L- und C -Werte:

Wenn das Design kein Feedback vom Lautsprecher enthält, ist TH am Lautsprecher empfindlich gegenüber der Linearität der LC -Filterkomponenten.

Induktor -Designfaktoren:Wichtige Faktoren bei der Gestaltung oder Auswahl des Induktors sind die aktuelle Bewertung und Form des Kerns sowie den Wickelwiderstand.

Aktuelle Bewertung: Der ausgewählte Kern sollte eine aktuelle Bewertung über dem höchsten erwarteten Verstärkerstrom haben. Der Grund dafür ist, dass viele Induktorkerne magnetisch gesättigt werden, wenn der Strom den Strombewertungsschwellenwert überschreitet und die Flussdichte zu hoch ist, was zu einer unerwünschten drastischen Reduktion der Induktivität führt.

Die Induktivität wird gebildet, indem ein Draht um den Kern gepackt wird. Wenn es viele Kurven gibt, ist der mit der Gesamtdrahtlänge verbundene Widerstand signifikant. Da dieser Widerstand zwischen der Halbbrücke und dem Lautsprecher in Reihe ist, wird ein Teil der Ausgangsleistung darin gelöst. Wenn der Widerstand zu hoch ist, verwenden Sie dicker Draht oder ändern Sie den Kern in ein anderes Material, das weniger Drahtwechsel erfordert, um die gewünschte Induktivität zu ergeben.

Schließlich sollte nicht vergessen werden, dass die Form des verwendeten Induktors EMI beeinflussen kann, wie oben erwähnt.

Systemkosten

Was sind die wichtigen Faktoren für die Gesamtkosten eines Audiosystems, das Verstärker der Klasse D verwendet? Wie können wir die Kosten minimieren?

DeraktivKomponenten des Verstärkers der Klasse D sind die Schaltausgangsstufe und den Modulator. Diese Schaltung kann für ungefähr die gleichen Kosten wie ein analogen linearer Verstärker erstellt werden. Die wirklichen Kompromisse treten auf, wenn andere Komponenten des Systems berücksichtigt werden.

Die geringere Ablassung der Klasse D spart den Kosten (und den Raum) von Kühlapparaten wie Kühlkörper oder Lüfter. Ein integrierter Verstärker der Klasse D kann möglicherweise ein kleineres und billigeres Paket verwenden, als es für den linearen. Bei der Herstellung einer digitalen Audioquelle erfordern analoge lineare Verstärker D\/A -Wandler (DACs), um das Audio in eine analoge Form umzuwandeln. Dies gilt auch für Verstärker der Analogeinstufung der Klasse D. Digitaleingänge integrieren jedoch die DAC-Funktion effektiv.

Andererseits ist der Hauptkostennachteil der Klasse D der LC -Filter. Die Komponenten-insbesondere der Bereich der Induktoren-Besatzungsausstattung und die Kosten hinzufügen. Bei Hochleistungsverstärkern sind die Gesamtsystemkosten immer noch wettbewerbsfähig, da die LC-Filterkosten durch große Einsparungen im Kühlapparat ausgeglichen werden. In kostengünstigen Anwendungen mit geringer Leistung wird der Induktoraufwand jedoch belastend. In extremen Fällen, wie z. B. billige Verstärker für Mobiltelefone, kann ein Verstärker -IC billiger sein als die gesamten LC -Filterkosten. Auch wenn die Geldkosten ignoriert werden, kann der vom LC-Filter besetzte Vorstandsraum ein Problem in kleinen Formfaktorenanwendungen sein.

Um diese Bedenken auszuräumen, wird der LC -Filter manchmal vollständig beseitigt, um a zu erstellenfilterlosVerstärker. Dies spart Kosten und Platz, obwohl es den Nutzen einer Tiefpassfilterung verliert. Ohne den Filter können EMI und Hochfrequenzleistung die Verlust der Stromversorgung unannehmbar erhöhen, wenn der Sprecher induktiv ist und dem Verstärker sehr nahe bleibt, die Stromschleiftungsbereiche minimal und die Stromniveaus niedrig gehalten werden. Obwohl es in tragbaren Anwendungen wie Mobiltelefonen oft möglich ist, ist es für höhere Systeme wie Stereoanlagen nicht möglich.

Ein anderer Ansatz besteht darin, die Anzahl der LC -Filterkomponenten pro Audiokanal zu minimieren. Dies kann durch die Verwendung von Einsatz-Halbbrücken-Ausgangsstadien erreicht werden, für die die Hälfte der für differentiellen Schaltkreise benötigten LS und CS erforderlich ist. Wenn die Halbbrücke jedoch bipolare Stromversorgungen erfordert, kann die mit der Erzeugung der negativen Versorgung verbundene Kosten unerschwinglich sein, es sei denn, ein negativer Versorgung ist bereits für einige andere Zwecke vorhanden-oder der Verstärker hat über genügend Audiokanäle, um die Kosten der negativen Versorgung zu erzählen. Alternativ kann die Halbbrücke aus einer einzigen Versorgung versorgt werden, dies reduziert jedoch die Ausgangsleistung und erfordert häufig einen großen DC-Blockierungskondensator.

Analoge Geräte Klasse D -Verstärker

Alle gerade besprochenen Designherausforderungen können zu einem ziemlich anspruchsvollen Projekt führen. Um dem Designer Zeit zu sparen, bietet Analog Devices eine Vielzahl von integrierten Schaltkreisen der Klasse D-Verstärker, die programmierbare Verstärker, Modulatoren und Leistungsstadien enthalten. Um die Bewertung zu vereinfachen, stehen für jeden Verstärkerentyp Demonstrationsboards zur Verfügung, um die Bewertung zu vereinfachen. Das PCB-Layout und das Billing-of-Materials für jeden dieser Boards dienen als praktikables Referenzdesign und helfen Kunden dabei, schnell funktionierende, kostengünstige Audiosysteme zu gestalten, ohne das Rad neu zu erfinden müssen, um die Herausforderungen des Hauptverstärkers der Klasse D der Klasse D zu lösen.

Betrachten Sie beispielsweise die ad1990, ad1992 und ad 1994- eine Familie von Dual-Amplifier-ICs, die auf Stereoanwendungen mit moderatem Strom versorgt werden, die zwei Kanäle mit Ausgabe-per-Channel von bis 5-, {{8} und {{9 {9}} und {{{{{{{25- erfordert. Hier sind einige Eigenschaften dieser ICs:

Der AD1994-Audio-Leistungsverstärker der Klasse D kombiniert zwei programmierbare Verstärker, zwei Sigma-Delta-Modulatoren und zwei Power-Output-Phasen, um die Lasten von H-Bridge-Ladungen in Heimkino-, Automobil- und PC-Audioanwendungen zu fördern. Es erzeugt Schaltwellenformen, die Stereolautsprecher mit bis zu 25 W pro Lautsprecher oder einen einzelnen Lautsprecher auf 50 W monophonisch mit 90% Effizienz treiben können. Die Eingänge der einstufigen Eingaben werden auf einen programmierbaren Verstärker (PGA) mit Gewinnen angewendet, die mit 0-, 6-, 12- und 18 dB mit niedrigen Signalen umgehen können.

The device has integrated protection against output-stage hazards of overheating, overcurrent, and shoot-through current. There are minimal clicks and pops associated with muting, thanks to special timing control, soft start, and dc offset calibration. Specifications include 0.001% THD, 105-dB dynamic range, and >60 dB PSR unter Verwendung eines analogen Feedbacks für kontinuierliche Zeit aus der Schaltausgangsstufe und optimiertes Gate-Laufwerk der Ausgangsstufe. Der 1- -Bit-Sigma-Delta-Modulator wird für die Anwendung der Klasse D besonders verbessert, um eine durchschnittliche Datenfrequenz von 500 kHz zu erreichen, wobei eine hohe Schleifenverstärkung auf eine Modulation von 90% und die Stabilität für die vollständige Modulation ist. AeigenständigDer Modulatormodus ermöglicht es ihm, externe FETs für höhere Ausgangsleistung zu steuern.

Es verwendet eine {{0}} V-Versorgung für PGA, Modulator und digitale Logik sowie eine Hochspannungsversorgung von 8 V bis 20 V für die Schaltausgangsstufe. Das zugehörige Referenzdesign erfüllt die Anforderungen an die FCC -EMI -Klasse B. Beim Fahren von 6 Ohm lädt 5- v und 12- v Lieferungen, löst der AD1994 487 MW problemlos, 710 MW am 2 × 1- W -Ausgangsniveau und 0,27 MW in in diePower-DownModus. Erhältlich in einem 64- -Lad -LFCSP -Paket wird es von –40 Grad bis +85 Grad angegeben

Weitere technische Informationen zu Verstärkern der Klasse D finden Sie im Abschnitt "Blackfin Processors----------