Klasse-D forsterker - Class-D amplifier

Blokkdiagram over en grunnleggende svitsj eller PWM (klasse-D) forsterker.
Merk: For tydelighetens skyld vises ikke signalperioder i skala.

En klasse-D forsterker eller svitsjforsterker er en elektronisk forsterker der forsterkningsenhetene (transistorer, vanligvis MOSFET ) fungerer som elektroniske brytere, og ikke så lineære forsterkningsenheter som i andre forsterkere. De fungerer ved å raskt bytte frem og tilbake mellom forsyningsskinnene, og mates av en modulator ved hjelp av pulsbredde, pulsdensitet eller relaterte teknikker for å kode lydinngangen i et pulstog. Lyden slipper gjennom et enkelt lavpasfilter inn i høyttaleren. Høyfrekvente pulser er blokkert. Siden parene med utgangstransistorer aldri ledes på samme tid, er det ingen annen strømningsstrøm bortsett fra lavpassfilter / høyttaler. Av denne grunn kan effektiviteten overstige 90%.

Historie

Den første Class-D-forsterkeren ble oppfunnet av den britiske forskeren Alec Reeves på 1950-tallet og ble først kalt med det navnet i 1955. Det første kommersielle produktet var en settmodul kalt X-10 utgitt av Sinclair Radionics i 1964. Imidlertid hadde den en utgangseffekt på bare 2,5 watt . Sinclair-X-20 i 1966 produserte 20 watt, men led av uoverensstemmelser og begrensninger av germanium -baserte BJT (bipolar junction transistor) transistorer som er tilgjengelige på det tidspunktet. Som et resultat var disse tidlige klasse D-forsterkerne upraktiske og mislyktes. Praktiske klasse-D forsterkere senere ble aktivert ved utviklingen av silisium -baserte MOSFET (metall-oksyd-halvlederfelteffekttransistor) teknologi. I 1978 introduserte Sony TA-N88, den første klasse-D-enheten som benyttet strøm MOSFET og en strømforsyning i slått modus . Deretter skjedde en rask utvikling i VDMOS ( vertikal DMOS ) -teknologi mellom 1979 og 1985. Tilgjengeligheten av MOSFET-er med lav pris og raskt bytte førte til at klasse D-forsterkere ble vellykkede på midten av 1980-tallet. Den første klasse D-forsterkerbaserte integrerte kretsen ble utgitt av Tripath i 1996, og den så utbredt bruk.

Grunnleggende drift

Klasse D-forsterkere fungerer ved å generere et tog med rektangulære pulser med fast amplitude, men varierende bredde og separasjon, eller varierende antall per tidsenhet, som representerer amplitudevariasjonene til det analoge lydinngangssignalet. Modulatorklokken kan synkroniseres med et innkommende digitalt lydsignal, og fjerner dermed nødvendigheten av å konvertere signalet til analogt. Utgangen fra modulatoren brukes deretter til å skifte utgangstransistorer på og av vekselvis. Det er utmerket forsiktighet for å sikre at paret av transistorer aldri får lov til å lede sammen, da dette vil føre til kortslutning mellom tilførselsskinnene gjennom transistorene. Siden transistorene enten er helt "på" eller helt "av", bruker de veldig lite tid i det lineære området, og forsvinner veldig lite kraft. Dette er hovedårsaken til deres høye effektivitet. Et enkelt lavpasfilter bestående av en induktor og en kondensator gir en bane for de lave frekvensene til lydsignalet, og etterlater høyfrekvente pulser. I kostnadsfølsomme applikasjoner blir utgangsfilteret noen ganger utelatt. Kretsen er deretter avhengig av induktansen til høyttaleren for å hindre HF-komponenten i å varme opp talespolen.

Strukturen til et klasse D-kraftstrinn er noe sammenlignbart med strukturen til en synkront rettet bukkomformer (en type ikke-isolert strømforsyning med slått modus (SMPS) ), men fungerer bakover. Mens bukkomformere vanligvis fungerer som spenningsregulatorer , og leverer en konstant DC-spenning til en variabel belastning, og bare kan kildestrøm (en kvadrantdrift), leverer en klasse-D-forsterker en stadig skiftende spenning til en fast belastning, der strøm og spenning kan uavhengig endre tegn (operasjon med fire kvadrater). En bryterforsterker må ikke forveksles med lineære forsterkere som bruker en SMPS som kilde for likestrøm. En svitsjforsterker kan bruke hvilken som helst type strømforsyning (f.eks. Et bilbatteri eller et internt SMPS), men den definerende egenskapen er at selve forsterkningsprosessen fungerer ved å bytte. I motsetning til en SMPS har forsterkeren en mye mer kritisk jobb å gjøre for å holde uønskede gjenstander utenfor utgangen. Tilbakemelding brukes nesten alltid, av samme grunner som i tradisjonelle analoge forsterkere, for å redusere støy og forvrengning.

Teoretisk effektivitet for klasse D-forsterkere er 100%. Det vil si at all kraften som leveres til den leveres til lasten, ingen blir omgjort til varme. Dette er fordi en ideell bryter i "på" -tilstand vil lede all strøm, men ikke har noe spenningstap over den, og derfor vil ingen varme bli spredt. Og når den er av, ville den ha full forsyningsspenning over den, men ingen lekkasjestrøm som strømmer gjennom den, og igjen vil ingen varme ledes ut. MOSFET-er fra den virkelige verden er ikke ideelle brytere, men praktisk effektivitet langt over 90% er vanlig. Derimot betjenes lineære AB-klasse forsterkere alltid med både strøm som strømmer gjennom og spenning står over kraftenhetene. En ideell klasse B-forsterker har en teoretisk maksimal effektivitet på 78%. Klasse A-forsterkere (rent lineære, med enhetene alltid "på") har en teoretisk maksimal effektivitet på 50%, og noen versjoner har virkningsgrad under 20%.

Terminologi

Begrepet "klasse D" blir noen ganger misforstått som en " digital " forsterker. Mens noen klasse-D-forsterkere faktisk kan styres av digitale kretser eller inkluderer digitale signalbehandlingsenheter, behandler kraftstrinnet spenning og strøm som en funksjon av ikke-kvantifisert tid. Den minste mengden støy, tidsusikkerhet, spenningsrippel eller annen ikke-idealitet resulterer umiddelbart i en irreversibel endring av utgangssignalet. De samme feilene i et digitalt system vil bare føre til feil resultater når de blir så store at et signal som representerer et siffer blir forvrengt uten gjenkjenning. Fram til det tidspunkt har ikke-idealiteter ingen innvirkning på det overførte signalet. Generelt blir digitale signaler kvantisert i både amplitude og bølgelengde, mens analoge signaler kvantiseres i en (f.eks. PWM) eller (vanligvis) ingen av størrelsene.

Signalmodulering

2-nivå bølgeformen er avledet ved hjelp av pulsbreddemodulasjon (PWM), pulsdensitetsmodulasjon (noen ganger referert til som pulsfrekvensmodulering), glidemodusstyring (mer ofte kalt "selvoscillerende modulering" i handelen.) Eller diskret- tidsformer for modulering som delta-sigma-modulering .

Den mest grunnleggende måten å lage PWM-signalet på er å bruke en høyhastighets komparator (" C " i blokkdiagrammet ovenfor) som sammenligner en høyfrekvent trekantbølge med lydinngangen. Dette genererer en serie pulser der driftssyklusen er direkte proporsjonal med den øyeblikkelige verdien av lydsignalet. Komparatoren driver deretter en MOS-portdriver som igjen driver et par høyeffektsbrytere (vanligvis MOSFETer ). Dette produserer en forsterket kopi av komparatorens PWM-signal. Utgangsfilteret fjerner høyfrekvente byttekomponenter i PWM-signalet og gjenoppretter lydinformasjonen som høyttaleren kan bruke.

DSP-baserte forsterkere som genererer et PWM-signal direkte fra et digitalt lydsignal (f.eks. SPDIF ), bruker enten en teller for å tidsstille pulslengden eller implementere en digital ekvivalent av en trekantbasert modulator. I begge tilfeller er tidsoppløsningen som gis av praktiske klokkefrekvenser bare noen få hundredeler av en bytteperiode, noe som ikke er nok til å sikre lav støy. I virkeligheten blir pulslengden kvantisert , noe som resulterer i kvantiseringsforvrengning . I begge tilfeller blir negativ tilbakemelding brukt innenfor det digitale domenet, og danner en støyformer som har lavere støy i det hørbare frekvensområdet.

Designutfordringer

Byttehastighet

To viktige designutfordringer for MOSFET-driverkretser i klasse D-forsterkere holder dødtid og lineær modus så kort som mulig. "Død tid" er perioden under en bytteovergang når begge utgangs-MOSFET-ene kjøres i avskjæringsmodus og begge er "av". Døde tider må være så korte som mulig for å opprettholde et nøyaktig lavt forvrengningsutgangssignal, men døde tider som er for korte fører til at MOSFET som slår seg på begynner å lede før MOSFET som slås av har sluttet å lede. MOSFET-ene korterer effektivt utgangsforsyningen gjennom seg selv i en tilstand kjent som "shoot-through". I mellomtiden må MOSFET-driverne også kjøre MOSFET-ene mellom byttetilstandene så raskt som mulig for å minimere tiden MOSFET er i lineær modus - tilstanden mellom avskjæringsmodus og metningsmodus der MOSFET verken er helt på eller helt av og leder strøm med betydelig motstand, og skaper betydelig varme. Førersvikt som tillater gjennomskyting og / eller for mye lineær modus, fører til store tap og noen ganger katastrofale feil i MOSFET-ene. Det er også problemer med å bruke PWM til modulatoren; når lydnivået nærmer seg 100%, kan pulsbredden bli så smal at den utfordrer driverkretsens og MOSFETs evne til å svare. Disse pulser kan komme ned til bare noen få nanosekunder og kan resultere i ovennevnte uønskede forhold for gjennomskyting og / eller lineær modus. Dette er grunnen til at andre modulasjonsteknikker som pulstetthetsmodulering kan komme nærmere den teoretiske 100% effektiviteten enn PWM.

Elektromagnetisk interferens

Koblingseffektstrinnet genererer både høyt dV / dt og dI / dt, noe som gir opphav til utstrålt utslipp når noen del av kretsen er stor nok til å fungere som en antenne . I praksis betyr dette at tilkoblingsledninger og kabler vil være de mest effektive radiatorene, så mest mulig innsats bør gå for å forhindre at høyfrekvente signaler når de:

  • Unngå kapasitiv kobling fra å bytte signaler til ledningen.
  • Unngå induktiv kobling fra forskjellige strømløkker i strømledningen til ledningene.
  • Bruk ett ubrutt jordplan og grupper alle kontaktene for å få en felles RF-referanse for frakobling av kondensatorer
  • Inkluder den tilsvarende serieinduktansen til filterkondensatorer og den parasittiske kapasitansen til filterinduktorer i kretsmodellen før du velger komponenter.
  • Uansett hvor det oppstår ringing , lokaliser de induktive og kapasitive delene av resonanskretsen som forårsaker det, og bruk parallelle RC eller serie RL- snubber for å redusere Q av resonansen.
  • Ikke la MOSFET-bryterne gå raskere enn nødvendig for å oppfylle kravene til effektivitet eller forvrengning. Forvrengning reduseres lettere ved å bruke negativ tilbakemelding enn ved å øke hastigheten på byttingen.

Strømforsyning design

Klasse D-forsterkere stiller et ekstra krav til strømforsyningen, nemlig at de kan senke energi som kommer tilbake fra lasten. Reaktive (kapasitive eller induktive) belastninger lagrer energi i løpet av en del av en syklus og frigjør noe av denne energien senere. Lineære forsterkere vil spre denne energien, klasse D-forsterkere returnerer den til strømforsyningen som på en eller annen måte skal kunne lagre den. I tillegg overfører half-bridge klasse D-forsterkere energi fra den ene forsyningsskinnen (f.eks. Den positive skinnen) til den andre (f.eks. Den negative), avhengig av tegnet på utgangsstrømmen. Dette skjer uavhengig av om belastningen er motstandsdyktig eller ikke. Tilførselen skal enten ha nok kapasitiv lagring på begge skinnene, eller kunne overføre denne energien tilbake.

Aktivt enhetsvalg

De aktive enhetene i en klasse D-forsterker trenger bare å fungere som kontrollerte brytere, og trenger ikke å ha spesielt lineær respons på kontrollinngangen. Bipolare transistorer eller felteffekt-transistorer brukes vanligvis. Vakuumrør kan brukes som strømbryter i klasse D-lydforsterkere.

Feilkontroll

Forsterkerens faktiske utgang er ikke bare avhengig av innholdet i det modulerte PWM-signalet. Strømforsyningsspenningen amplitudemodulerer direkte utgangsspenningen, dødtidsfeil gjør utgangsimpedansen ikke-lineær, og utgangsfilteret har et sterkt belastningsavhengig frekvensrespons. En effektiv måte å bekjempe feil på, uavhengig av kilde, er negativ tilbakemelding . En tilbakemeldingssløyfe inkludert utgangstrinnet kan lages ved hjelp av en enkel integrator. For å inkludere utgangsfilteret brukes en PID-kontroller , noen ganger med tilleggsintegreringsbetingelser. Behovet for å mate det faktiske utgangssignalet tilbake til modulatoren gjør den direkte genereringen av PWM fra en SPDIF- kilde ikke attraktiv. For å redusere de samme problemene i en forsterker uten tilbakemelding, må du adressere hver for seg ved kilden. Strømforsyningsmodulering kan delvis avbrytes ved å måle forsyningsspenningen for å justere signalforsterkningen før beregning av PWM, og forvrengning kan reduseres ved å bytte raskere. Utgangsimpedansen kan ikke styres annet enn gjennom tilbakemelding.

Fordeler

Den største fordelen med en klasse-D-forsterker er at den kan være mer effektiv enn en lineær forsterker, med mindre strøm spredt som varme i de aktive enhetene. Gitt at det ikke er behov for store varmeavleder , er klasse D-forsterkere mye lettere enn klasse A-, B- eller AB-forsterkere, et viktig hensyn med bærbart lydforsterkningssystemutstyr og bassforsterkere . Utgangstrinn som de som brukes i pulsgeneratorer er eksempler på klasse D-forsterkere. Imidlertid gjelder begrepet for det meste for effektforsterkere ment å gjengi lydsignaler med en båndbredde godt under svitsjefrekvensen.

Boss Audio mono forsterker. Utgangstrinnet er øverst til venstre, utgangsdrosslene er de to gule toroidene under.

Bruker

  • Hjemmekino i en boks systemer. Disse økonomiske hjemmekinosystemene er nesten universelt utstyrt med klasse D-forsterkere. På grunn av beskjedne ytelseskrav og grei design er direkte konvertering fra digital lyd til PWM vanligst.
  • Mobiltelefoner . Den interne høyttaleren drives av opptil 1 W. Klasse D brukes til å bevare batteriets levetid.
  • Høreapparater . Miniatyrhøyttaleren (kjent som mottakeren) drives direkte av en klasse D-forsterker for å maksimere batterilevetiden og kan gi metningsnivåer på 130 dB SPL eller mer.
  • Drevne høyttalere
  • Avansert lyd er generelt konservativ med hensyn til å ta i bruk ny teknologi, men klasse D-forsterkere har vist seg
  • Aktive subwoofere
  • Lydforsterkningssystemer . For svært høy effektforsterkning er effekttapet til AB-forsterkere uakseptabelt. Forsterkere med flere kilowatt utgangseffekt er tilgjengelig som klasse D. Klasse D effektforsterkere er tilgjengelige som er vurdert til 1500 W per kanal, men som bare veier 21 kg (46 lb).
  • Bassinstrumentforsterkning
  • Radiofrekvensforsterkere kan bruke klasse D eller andre brytermodusklasser for å gi høy effektiv RF-forsterkning i kommunikasjonssystemer.

Se også

Referanser

Eksterne linker