Spis treści:
Choć korzenie technologii wzmacniaczy audio w klasie D sięgają końca lat 50. XX wieku, to od tego czasu nastąpił olbrzymi postęp w tej technologii. Wzmacniacze audio klasy D zyskują coraz więcej miłośników z uwagi na coraz lepszą sprawność oraz bardziej staranne dopracowanie konstrukcji pod kątem eliminacji zniekształceń – a przecież zaprojektowanie wzmacniacza audio, szczególnie w klasie D, wymaga bardzo dobrego rozumienia zjawisk w nim zachodzącym na poziomie zaawansowanej matematyki i fizyki.
Wzmacniacz audio w klasie D na tranzystorach MOSFET
W tym artykule skupimy się na podstawowej zasadzie działania wzmacniacza audio w klasie D, opisując sposób wprowadzania sygnałów wejściowych, projektowanie komparatorów z dobieraniem elementów pomocniczych, a także zwrócimy uwagę na filtry częstotliwościowe oraz stopień mocy oparty na parze komplementarnej tranzystorów polowych IRF3205 oraz IRF4905.
Podstawowa zasada działania wzmacniacza audio w klasie D
Wzmacniacz audio w klasie D, którego uproszczony schemat przedstawiono na rys. 1, działa na zasadzie wykorzystania sygnału o modulowanej szerokości impulsów (PWM) w celu przełączania tranzystorów w stopniu mocy na wysokiej częstotliwości. Taki sposób przełączania na wysokiej częstotliwości sprawia, że na wyjściu wzmacniacza pojawia się sygnał proporcjonalnie wzmocniony względem sygnału wejściowego. Sygnał wejściowy wprowadzony do wzmacniacza jest najpierw przetwarzany na sygnał PWM przez driver w stopniu przedwzmacniacza oraz szybki komparator oparty na wzmacniaczu operacyjnym. Sygnał PWM jest następnie używany do wysterowywania tranzystorów MOSFET w stopniu mocy (takich jak wspomniany IRF3205 który jest zdolny do szybkiego włączania i wyłączania na wysokich częstotliwościach). Sygnał wyjściowy z tranzystorów mocy jest następnie doprowadzany do filtrów górnozaporowych LC w celu odfiltrowania wysokoczęstotliwościowego sygnału przełączającego, pozostawiając na wyjściu tylko użyteczny sygnał audio, który chcemy usłyszeć w postaci muzyki, mowy czy efektów dźwiękowych.
Podstawowa zasada działania wzmacniacza klasy D jest następująca: Wzmacniacz mocy w klasie D, działa poprzez modulowanie sygnału wejściowego audio za pomocą sygnału nośnego wysokiej częstotliwości, który zazwyczaj ma przebieg trójkątny. Następnie, sygnał wejściowy audio jest miksowany z sygnałem nośnym wysokiej częstotliwości za pomocą wzmacniacza operacyjnego, czego efektem jest sygnał audio w postaci przebiegu PWM. W tym układzie wzmacniacz operacyjny jest wykorzystany jako komparator różnicowy. Użyteczny sygnał audio jest zawarty w sygnale PWM i jest on kierowany do bramek tranzystorów MOSFET połączonych w topologię Push-Pull. Dodatnie części sygnału PWM wysterowywują tylko górny tranzystor (kanał typu N), a ujemne części sygnału PWM wysterowują tylko dolny tranzystor (kanał typu P). Podczas przełączania tranzystorów następuje przerwa bezprądowa na ich wyjściach, która jest niezbędna aby zapobiec zwarciu pomiędzy szynami zasilania poprzez rezystancję kanałów dren-źródło tranzystorów, aby nie doprowadzić do ich uszkodzenia. Zastosowanie techniki przełączania na wysokiej częstotliwości zapewnia wysoką sprawność stopnia mocy nawet w okolicy 90%, dzięki czemu mamy znacznie niższe straty mocy na ciepło oraz niższy pobór energii ze źródła zasilania niż w przypadku wzmacniaczy audio w klasie A czy w klasie AB. Wzmacniacze audio klasy D mają szerokie zastosowanie w przenośnych urządzeniach audio o zasilaniu bateryjnym (np. przenośnych głośnikach Bluetooth), w systemach car audio a także w innych aplikacjach, gdzie kluczowymi wymaganiami jest sprawność oraz zachowanie minimalnych wymiarów geometrycznych.
Generowanie przebiegu PWM
We wzmacniaczu audio klasy D, sygnał PWM jest wytwarzany przez specjalizowany układ scalony drivera. Driver po doprowadzeniu na wejście sygnału wejściowego audio mieszając go z sygnałem trójkątnym, daje na wyjściu sygnał PWM wysokiej częstotliwości, który typowo ma kształt przebiegu prostokątnego o częstotliwościach rzędu setek kHz do do kilku MHz. Współczynnik wypełnienia sygnału PWM jest proporcjonalny do amplitudy sygnału audio na wejściu, gdzie współczynnik wypełnienia wynoszący 0% oznacza minimalną (ujemną) wartość sygnału, 50% oznacza zerową wartość sygnału, a współczynnik wypełnienia wynoszący 100% oznacza maksymalną wartość sygnału. Układ scalony drivera typowo jest oparty na komparatorze, który porównuje sygnał wejściowy audio z napięciem odniesienia, które typowo ma przebieg trójkątny. Na wyjściu komparatora uzyskiwany jest sygnał PWM, który jest następnie używany do wysterowania tranzystorów w stopniu mocy.
Wysterowanie stopnia mocy i filtracja na wyjściu wzmacniacza
Układ drivera w stopniu wejściowym, jest wyposażony także w generator czasu martwego który zabezpiecza tranzystory w stopniu mocy przed jednoczesnym włączeniem i wyłączeniem ich obu naraz, aby nie doprowadzić do zwarcia wyjścia. W stopniu mocy typowo używa się tranzystorów unipolarnych (MOSFET) połączonych jako para komplementarna , np. IRF3205 (kanał typu N) wraz z IRF4905 (kanał typu P). Sygnał PWM po wzmocnieniu przez tranzystory, jest dalej obecny na wyjściu stopnia mocy, gdzie jest doprowadzany dalej na filtr górnozaporowy LC w celu usunięcia zakłóceń wysokoczęstotliwościowych, zostawiając na wyjściu filtra tylko czysty sygnał audio który jest następnie dostarczany do głośników. Jednym z najbardziej popularnych podejść w projektowaniu filtra pomiędzy stopniem mocy a głośnikami, jest użycie filtra górnozaporowego Butterwortha II rzędu. Ze względu na długie i niezawodne działanie układu, zamiast kondensatorów elektrolitycznych, zaleca się zastosowanie kondensatorów z dielektrykiem stałym, np. metalizowanych poliestrowych (MKT/MKSE) lub polipropylenowych (MKP). Ponadto, takie kondensatory mają bardzo niską zastępczą rezystancję szeregową (ESR) oraz są wykonane zwykle z wyższą dokładnością niż kondensatory elektrolityczne.
