Projektowanie wzmacniaczy klasy D

Poniedziałek, 18 lutego 2008 | Technika

Główną zaletą stosowania wzmacniaczy audio klasy D, zarówno w sprzęcie stacjonarnym jak i urządzeniach przenośnych, jest ich wysoka sprawność energetyczna, osiągająca w praktyce 85-90%. W liniowych wzmacniaczach klasy AB, przy średnich poziomach odsłuchu, dochodzi ona najwyżej do 25%.W telefonach komórkowych klasa D, przy zachowaniu wysokiej jakości audio, zapewnia dłuższy czas pomiędzy kolejnymi ładowaniami akumulatora. Czas ten jest podstawowym kryterium porównawczym wszystkich przenośnych urządzeń łączności i odtwarzania.

Natomiast w przyrządach zasilanych z sieci energetycznej, jak urządzenia audiowizualne i konsole do gier, wysoka sprawność klasy D zapewnia zmniejszenie zasilaczy i redukcję wydzielanego ciepła. Projektant może więc użyć mniejszego radiatora i mniejszej obudowy, a także obniżyć koszty materiałowe aplikacji. Układy bezradiatorowe mogą przy zapewnieniu starannego zasilania dostarczać do kilku watów mocy wyjściowej w kanale.

Chip wzmacniacza

Rys. 1. Zasada działania wzmacniacza klasy D

We wzmacniaczu klasy D sygnał audio jest porównywany z przebiegiem piłokształtnym, służącym do przełączania sygnału z częstotliwością znacznie wyższą od częstotliwości audio. W rezultacie powstaje fala prostokątna o częstotliwości przełączania, a szerokości jej impulsów są próbkami sygnału audio. Fala ta, oraz jej odwrotność, sterują stopniem wyjściowym MOSFET-ów (zazwyczaj w układzie mostka H), a z wzmocnionych próbek audio w filtrze dolnoprzepustowym odfiltrowuje się wzmocniony oryginalny sygnał audio.

Zwiększanie częstotliwości przełączania zwiększa straty w stopniu wyjściowym ze względu na pojemności bramek MOSFET-ów, ale ułatwia filtrację i poprawia stosunek sygnału do szumu. Dzieje się tak dlatego, że wyższa częstotliwość przełączania zwiększa rozdzielczość modulacji szerokości impulsów (PWM), podobnie jak nadpróbkowanie w modulatorze sigma-delta. Dalszą poprawę jakości można osiągnąć stosując techniki kształtowania szumów. Na przykład w układzie scalonym wzmacniacza klasy D firmy Wolfson WM8608 stosunek sygnału do szumu jest większy od 100dB (ważony A) przy częstotliwości impulsów 384kHz – 8 razy większej od częstotliwości próbkowania 48kHz.

Niezwykle ważne jest utrzymywanie czystości wewnętrznego sygnału częstotliwości zegarowej, ponieważ jego drżenie (jitter) wywołuje przypadkowe zmiany pozycji krawędzi sygnału PWM, mogące stać się źródłem zakłóceń analogowego sygnału wyjściowego. Sygnał zegarowy powinien być więc generowany w chipie z głównego systemowego sygnału zegarowego za pomocą niskoszumowej pętli synchronizacji fazowej (PLL). Usunie to w dużym stopniu drżenie, jeżeli systemowy sygnał zegarowy jest czysty. Z tego powodu jest zalecana również jego generacja wewnątrz wzmacniacza klasy D. Zapobiega to możliwości „zanieczyszczenia” tego sygnału przez stopnie wyjściowe przełączania, czy inne źródła, dzięki bezpośredniemu połączeniu w chipie oscylatora z PLL. Eliminuje to także zewnętrzne elementy filtracji PLL. Filtr odprzęgający umieszczony blisko wyprowadzeń zasilania usuwa zakłócenia z napięcia 3,3V, zasilającego PLL.

Projektowanie stopnia mocy

Rys. 2. Półmostkowy stopień końcowy wzmacniacza klasy D. Często spotyka się również konfigurację pełnomostkową.

Projekt mostka mocy (rys. 2) zależy od wymaganej mocy wyjściowej wzmacniacza. Układy scalone wzmacniaczy klasy D są dostarczane ze sterownikami słuchawkowymi bądź sterownikami głośników. Ich konfiguracje różnią się układem stopnia wyjściowego. Wzmacniacze przeznaczone do głośników mogą bez radiatora dostarczać od poniżej 1W do kilku watów mocy wyjściowej. Te układy scalone umożliwiają stosowanie konstrukcji jednochipowych w wielu aplikacjach konsumenckich, od przenośnych odtwarzaczy medialnych do konsoli do gier i niektórych telewizorów LCD. W większości tych aplikacji, zwłaszcza w urządzeniach przenośnych, konstrukcja jednochipowa jest najbardziej pożądana.

Jednakże dla bardzo dużej mocy wyjściowej stosuje się układ scalony modulatora klasy D w kombinacji z zewnętrznym stopniem, zbudowanym z szybko przełączających MOSFET-ów mocy. Mogą to być elementy dyskretne, albo ich zespoły w oddzielnym układzie scalonym. Modulator musi zawierać odpowiedni sterownik wstępny, a tranzystory wyjściowe muszą być przystosowane do pracy z audio cyfrowym. Rezystancja przewodzenia MOSFET-a mocy obniża sprawność układu, powinna więc być możliwie najmniejsza. Także pojemność bramki powinny być jak najmniejsza, aby zmniejszyć rozpraszanie ciepła i podgrzewanie sterującego tranzystorem przesuwnika poziomu.

Mniej oczywiste są potencjalne kłopoty, związane z dopasowaniem charakterystyk przełączania tranzystorów. Jeśli na przykład tranzystor NMOS zaczyna przewodzić znacząco szybciej niż przestaje przewodzić jego odpowiednik PMOS, przewodzenie obu może przez krótki czas nakładać się krawędziami sygnału. W czasie, gdy oba tranzystory przewodzą równocześnie, zasilacz jest praktycznie zwierany, co powoduje obniżenie sprawności systemu, zwiększenie wydzielania ciepła, a nawet obniżanie napięcia zasilania, zniekształcające sygnał audio. Dla zachowania całości sygnału opóźnienia w przełączaniu stopnia wyjściowego (MOSFET-y mocy plus przesuwniki poziomu) muszą być pomijalne w stosunku do minimalnej szerokości impulsu PWM.

Szereg producentów oferuje scalone stopnie wyjściowe, które mogą być bezpośrednio łączone z wyjściem układów scalonych modulatora klasy D. Stopnie te, które zawierają cztery dopasowane MOSFET-y na kanał, zapewniają również przesuwanie poziomu dla sygnału PWM, od 3,3V na wyjściach wzmacniacza do napięcia wyższego, nadającego się do przełączania tranzystorów mocy.

Filtrowanie

Sygnał wyjściowy z MOSFET-ów mostka H klasy D jest reprezentującą sygnał audio falą prostokątną. Częstotliwość przełączania i jej harmoniczne muszą być tłumione, aby zapobiec zakłóceniom i zapewnić uzyskanie przez urządzenie certyfikatu kompatybilności elektromagnetycznej (EMC). Do tego celu jest potrzebne filtrowanie dolnoprzepustowe z częstotliwością odcięcia tuż powyżej pasma słyszalności. Im częstotliwość przełączania jest wyższa tym łatwiej będzie tłumiona. Przy wyższej częstotliwości takie samo tłumienie uzyskuje się za pomocą mniejszych i tańszych elementów.

Z drugiej strony, pojemnościowe straty w MOSFET-ach idą w parze z częstotliwością, obniżając sprawność i prowadząc do zwiększania strat i związanych z nimi problemów termicznych. Stąd w praktyce projektowanie stopni wyjściowych układów scalonych wzmacniaczy klasy D sprowadza się do wytwarzania niskostratnych tranzystorów i dobierania częstotliwości przełączania na tyle niskiej, aby utrzymać EMI na dopuszczalnym poziomie.

Bezfiltrowe połączenie z głośnikiem, takim jak w telefonie komórkowym, jest istotną zaletą w aplikacjach czułych na rozmiary i koszty. Gdy wyjście wzmacniacza klasy D znajduje się blisko głośnika, rezystancja i indukcyjność jego cewki mogą zostać wykorzystane jako elementy R i L odpowiedniego filtra dolnoprzepustowego. Wtedy z każdego z obwodów wyjściowych jedna cewka i jeden kondensator mogą zostać wyeliminowane. Jeżeli odległość wzmacniacza od głośnika jest dłuższa, niewielka dodatkowa indukcyjność, w formie koralika ferrytowego, może się okazać niezbędna do poprawienia właściwości EMC. Na rys. 3 porównano widma sygnału wyjściowego wzmacniacza klasy D z ferrytem i bez niego.


Rys. 3. Sam głośnik, gdy mieści się w pobliżu układu scalonego sterownika, może mieć wystarczające własności filtrujące. W razie większej odległości, ferrytowe koraliki na przewodach mogą się okazać niezbędne.

Projekt zasilacza

Rys. 4. Krótkie opóźnienia pomiędzy sygnałami poszczególnych kanałów rozsuwają w czasie zbocza impulsów prądowych zasilania poszczególnych kanałów. Sterownik WM8608 impulsowego wzmacniacza mocy automatycznie wprowadza opóźnienia 160ns.

Projektanci wzmacniaczy klasy D muszą zwracać znacznie większą uwagę, niż w przypadku wzmacniaczy liniowych, na wpływ zasilacza na jakość sygnału wyjściowego audio. Wzmacniacz klasy D jest układem impulsowym, bezpośrednio łączącym wyjście sygnałowe audio z wyjściem zasilacza, zatem fluktuacje zasilania w zakresie pasma audio będą bezpośrednio modulowały sygnał wyjściowy. Trzeba więc zadbać o dobrą stabilizację zasilania i eliminację tętnień tak sieciowych jak i akustycznych.

Szereg producentów oferuje stabilizatory do poprawiania stabilizacji, które można dodawać do istniejących. Zaletą stosowania oddzielnych stabilizatorów dla każdego z kanałów wzmacniacza jest eliminacja przesłuchów pomiędzy nimi. Jednak użycie pary stabilizatorów zwiększa koszt urządzenia. Poza tym energia przez nie zużywana obniża całkowitą sprawność urządzenia.

Natomiast zwiększony współczynnik redukcji wpływu napięcia zasilania (PSRR) zmniejsza wpływ stabilizatora na sygnał wyjściowy audio. Dodanie sprzężenia zwrotnego z wyjścia PWM do wejścia analogowego wzmacniacza zwiększa PSRR kompensując zmiany napięcia zasilania. Współczynnik ten może osiągnąć 80dB, wielkość podobną jak w różnicowym wzmacniaczu klasy AB do aplikacji przenośnych. Jeżeli sygnał wejściowy wzmacniacza klasy D jest cyfrowy, technika ta może zostać zastosowana bez konieczności konwersji do domeny analogowej. PSRR całkowicie cyfrowego wzmacniacza klasy D wynosi 0dB, projektant musi więc wtedy zastosować dobrą stabilizację napięcia zasilania.

Właściwości zasilacza w zakresie stanów przejściowych muszą również być rozpatrzone. Aby przebieg PWM mógł być dokładnie odtwarzany, zasilacz musi bardzo szybko reagować na nagłe zmiany natężenia dostarczanego prądu. Wzmacniacz liniowy jest pod tym względem znacznie mniej wymagający, ponieważ pasmo przenoszenia stopnia mocy jest ograniczone do zakresu audio. W zasilaczu wzmacniacza klasy D szybkie zmiany napięcia, z poza pasma audio, będące skutkiem kiepskiej jego charakterystyki przejściowej, będą modulowały sygnał PWM, wprowadzając do niego harmoniczne słyszalne w sygnale wyjściowym audio. Do walki z tymi szybkimi fluktuacjami można oczywiście użyć kondensatorów o dużej pojemności. Ale takie duże kondensatory nie są pożądane w urządzeniach przenośnych. Nie mówiąc o tym, że rozmiarowo małe kondensatory o dużej pojemności są drogie.

Pomocną w tym wypadku techniką jest przełączanie MOSFET-ów w różnicowych stopniach wyjściowych w różnych momentach, redukujące w ten sposób amplitudę impulsów prądowych zasilania. Na przykład stabilizator 5 do 7.1 kanałowych cyfrowych wzmacniaczy mocy, WM8608 firmy Wolfson, ma wbudowaną funkcję „fazy wyjściowej PWM”, wprowadzającą krótkie opóźnienia pomiędzy sygnałami PWM każdego kanału wyjściowego. Skutkiem tego jest rozsuwanie stanów przejściowych procesu przełączania wokół średniej dla całego cyklu PWM (rys. 4). Opóźnienia te są na tyle krótkie, że nie wprowadzają słyszalnych efektów w sygnale wyjściowym. W systemie o sześciu kanałach technika ta pozwala na znaczne zmniejszenie amplitudy impulsów prądowych zasilacza i redukcję przesłuchów.

Impulsowy zasilacz, impulsowy wzmacniacz

Głównymi trudnościami, związanymi z zasilaczami impulsowymi są zaburzenia elektromagnetyczne, wywoływane szybkim przełączaniem prądu o dużym natężeniu. Trudności te nasilają się, gdy, znajdujące się w tym samym systemie, zasilacz impulsowy i impulsowy wzmacniacz są przełączane z różnymi częstotliwościami. Wtedy w sygnale wyjściowym dają się słyszeć tony intermodulacji. Efekt ten można wyeliminować albo przez synchronizację dwóch częstotliwości przełączania albo przez użycie w zasilaczu stabilizatora liniowego. Rozwiązanie takie jest korzystne, gdy preferowane są najniższe koszty, ale jego ceną jest rezygnacja z wysokiej sprawności i małych rozmiarów zasilacza impulsowego.

Staranne zaprojektowanie zasilacza z uwzględnieniem szczególnych wymagań jego stopnia wyjściowego może zapewnić uzyskanie wysokiego stosunku sygnału do szumu i niskiej zawartości zniekształceń całkowitych, dzięki czemu wzmacniacze klasy D są jakościowo porównywalne z większością wzmacniaczy analogowych. Z zaletami wysokiej sprawności, małych rozmiarów i doskonałych właściwości termicznych, a także z potencjalnymi udoskonaleniami w przyszłości, wzmacniacze klasy D powiększą niewątpliwie swoją dominację w konsumenckich urządzeniach audio. (KKP)