Filtry wyjściowe dla wzmacniaczy klasy D - dobór parametrów

Kluczowym elementem wzmacniacza klasy D jest dolnoprzepustowy filtr LC (rys. 1). Jego częstotliwość graniczna powinna być dobrana tak, aby uzyskać największe możliwe tłumienie sygnałów przełączania, przy jak najmniejszym wpływie na użyteczny zakres częstotliwości. Optymalna wartość indukcyjności filtra powinna wynosić:

gdzie f_C jest pożądaną częstotliwością graniczną, a RL – rezystancją obciążenia (głośnika). Indukcyjność zależy zarówno od pożądanej częstotliwości granicznej, jak i od impedancji głośnika, więc zmiana impedancji wpłynie na wartość indukcyjności.

Rys. 1. Filtr dolnoprzepustowy dla wzmacniacza klasy D

Projekty praktyczne wymagają użycia komponentów o wartościach standardowych, więc wartości idealne uzyskane z obliczeń powinny być nieznacznie skorygowane. Zamiast niezależnego obliczania indukcyjności cewki oraz pojemności kondensatora, należy wyznaczyć indukcyjność, wybrać najbliższą wartość unormowaną i dla niej obliczyć wymaganą pojemność według wzoru:

Jednym z parametrów opisujących jakość filtra jest współczynnik dobroci Q, który odpowiada stosunkowi częstotliwości środkowej do pasma przenoszenia filtra:

Rys. 2a. Filtr dla wzmacniacza single-ended z jednym kondensatorem blokującym

Wysoki współczynnik Q oznacza zbyt słabe tłumienie, a jego mała wartość powoduje, że odpowiedź częstotliwościowa filtra będzie przetłumiona. Optymalna wartość współczynnika Q powinna wynosić między 0,6 a 0,8. Po zastosowaniu powyższych wzorów Q będzie równe około 0,7, co zapewnia dobrą jakość oraz pewną odporność na zmiany impedancji głośników. Jednak należy pamiętać, że zmiana impedancji obciążenia spowoduje zmianę współczynnika Q i tym samym wpłynie na wartość tłumienia.

Dobór komponentów

Istotne jest nie tylko obliczenie właściwych wartości LC filtru, ale również dobór elementów odpowiedniego typu w celu minimalizacji strat energii oraz zakłóceń harmonicznych. Maksymalny znamionowy prąd stały cewek filtru musi być większy lub równy maksymalnemu prądowi przepływającemu przez filtr. Zmiana indukcyjności w stosunku do prądu obciążenia nie powinna przekraczać 10%. Materiał, z którego wykonany jest rdzeń, może mieć wpływ na zakłócenia harmoniczne wzmacniacza, więc powinien charakteryzować się jak najmniejszymi stratami wynikającymi z histerezy. Zastosowany kondensator powinien być wielowarstwowym kondensatorem poliestrowym, polipropylenowym lub poliwęglanowym. W filtrze dolnoprzepustowym powinno się unikać kondensatorów ceramicznych, gdyż cechują się one znacznymi zmianami pojemności w zależności od przyłożonego napięcia, co może prowadzić do zniekształceń sygnałów.

Wzmacniacze single-ended

Rys. 2b. Filtr dla wzmacniacza single-ended z dzielnikiem rezystancji do minimalizacji trzasków przy włączeniu

Wzmacniacze niestymetryczne (single-ended) są często stosowane, ponieważ wymagają o połowę mniej tranzystorów niż wzmacniacze mostkowe (full-bridge output). Jednak mają one kilka wad w porównaniu do wzmacniaczy mostkowych typu BTL (bridge-tied load). Po pierwsze, wzmacniacze single-ended wymagają dodatniego i ujemnego źródła zasilania lub użycia kondensatora blokującego (rys. 2a). W przypadku zastosowania takiego kondensatora wymagana jest jego duża pojemność, aby nie pogorszyć niskoczęstotliwościowej jakości wzmacniacza. Na przykład do osiągnięcia pasma przenoszenia na poziomie 20Hz, wzmacniacz z głośnikiem o impedancji 8Ω wymaga kondensatora o pojemności 1000µF.

Kondensatory blokujące mogą także powodować słyszalne trzaski przy włączaniu wzmacniacza. Rozwiązaniem może być wolne ładowanie kondensatora przy użyciu dzielnika rezystancji między Vcc a masą, minimalizując trzaski lub likwidując je całkowicie (rys. 2b).

Jeśli wzmacniacz nie ma sprzężenia zwrotnego, problemem może być zbyt niski współczynnik tłumienia zakłóceń na liniach zasilających (PSRR). W celu poprawy współczynnika PSRR można użyć dwóch kondensatorów blokujących do utworzenia dzielnika napięcia AC o małej impedancji (rys. 2c). Ze względu na ich równoległe połączenie każdy z kondensatorów powinien mieć połowę obliczonej pojemności.

Wzmacniacze BTL

Rys. 2c. Filtr dla wzmacniacza single-ended z dwoma kondensatorami blokującymi do poprawy współczynnika PSRR

Wzmacniacze mostkowe typu BTL także są szeroko stosowane, ponieważ nie wymagają kondensatorów blokujących nawet wtedy, gdy są zasilane z pojedynczego, dodatniego źródła napięcia. Kondensatory blokujące powodują zmniejszenie wzmocnienia w paśmie niskich częstotliwości i mogą być dość znacznych rozmiarów.

Ponadto wzmacniacze BTL mogą dostarczyć do głośnika napięcie międzyszczytowe dwukrotnie większe od napięcia zasilania, co oznacza do czterech razy większą moc niż w przypadku wzmacniaczy single-ended. Jest to duża zaleta w zastosowaniach o ograniczonym napięciu źródła, jak np. w aplikacjach przenośnych, gdzie wzmacniacz jest zasilany z baterii.

Filtry sygnału wspólnego

Rys. 3. Filtr sygnału wspólnego (a) oraz jego charakterystyka (b)

Filtry sygnału wspólnego są filtrami LC, w których jedna strona kondensatora ma połączenie z masą. Na każdym wyjściu wzmacniacza znajduje się cewka, a między każdym wyprowadzeniem głośnika i masą znajduje się kondensator. Ponieważ w filtrach wzmacniaczy single-ended jedna strona kondensatora ma już połączenie z masą, filtrem sygnału wspólnego jest zwykły filtr dolnoprzepustowy.

Filtr z rys. 1 zastosowany na wyjściu wzmacniacza BTL byłby różnicowym, ponieważ filtruje sygnał pomiędzy dwoma wyjściami. Indukcyjność filtru sygnału wspólnego wzmacniacza BTL jest dzielona na dwie cewki włączone szeregowo po jednej na każdym z wyjść i powinna być równa połowie indukcyjności całkowitej, a każdy z szeregowo połączonych kondensatorów powinien mieć dwa razy większą pojemność niż wynika to z wartości obliczonych dla filtru dolnoprzepustowego.

Rys. 4. Filtr sygnału wspólnego z rezystorami tłumiącymi włączonymi szeregowo między kondensatory a masę (a) oraz jego charakterystyka (b)

Ponieważ indukcyjność każdego z wyjść wzmacniacza BTL jest równa połowie, a pojemność większa dwukrotnie, częstotliwość rezonansowa filtra sygnału wspólnego jest taka sama, jak filtra różnicowego:

Najprostszy filtr sygnału wspólnego składa się z cewki oraz kondensatora połączonego z masą (rys. 3). Przedstawiona konstrukcja zapewnia bardzo dobre tłumienie w paśmie wysokich częstotliwości, jednak sygnał wspólny jest niedotłumiony, co może wywołać niechciane oscylacje w przewodach głośnika oraz spowodować znaczne tętnienia prądu płynącego przez cewkę i kondensator. Impedancje cewki i kondensatora znoszą się w częstotliwości rezonansowej, więc prąd w tym punkcie charakterystyki jest ograniczony tylko przez rezystancję rozproszoną obwodu (wyjściową impedancję wzmacniacza i stałoprądową rezystancję cewki).

Rys. 5. Filtr sygnału wspólnego z dodatkowymi kondensatorami włączonymi równolegle do rezystorów (a) oraz jego charakterystyka (b)

W celu lepszego tłumienia sygnału wspólnego konieczne jest dodanie rezystora między kondensator a masę. Powoduje to jednak utworzenie zera w transmitancji filtra, co może znacznie zmniejszyć jakość jego działania dla wysokich częstotliwości. Na rys. 4. pokazano efekt szeregowego połączenia rezystora z kondensatorem. Amplituda w punkcie rezonansu jest znacznie obniżona, jednak mniejsze jest również tłumienie w paśmie wysokich częstotliwości.

Z tego powodu za rezystorem umieszcza się zwykle włączony równolegle dodatkowy kondensator (rys. 5.). Prowadzi to do utworzenia bieguna powyżej częstotliwości rezonansowej filtra. Biegun neutralizuje efekt wprowadzany przez zero w paśmie wysokich częstotliwości oraz zapewnia dobre tłumienie w częstotliwości rezonansowej. Amplituda rezonansu jest w takim filtrze wciąż znacznie mniejsza niż przy braku dodatkowego rezystora, a tłumienie w paśmie wysokich częstotliwości jest dużo lepsze niż w przypadku braku dodatkowego kondensatora. Całkowita indukcyjność oraz pojemność filtra sygnału wspólnego pozostają takie, jak w filtrze różnicowym:

Ponieważ na wyjściu wzmacniacza BTL znajdują się dwie cewki połączone szeregowo, indukcyjność każdej z nich jest równa połowie indukcyjności całkowitej:

Podobna sytuacja ma miejsce w przypadku pojemności. Ponieważ filtr składa się z szeregowo połączonych kondensatorów, pojemność każdego z nich powinna być dwa razy większa od pojemności całkowitej:

Wartość rezystorów filtra powinna wynosić:

Rys. 6. Filtr hybrydowy z kondensatorem metalizowanym C1 oraz ceramicznymi kondensatorami warstwowymi typu X7R (C2, C3, C4, C5)

Rezystancja na takim poziomie spowoduje, że zero znajdzie się poniżej, a biegun powyżej częstotliwości rezonansowej filtra, zapewniając zwiększone tłumienie w tym punkcie charakterystyki.

Zastosowanie filtra sygnału wspólnego niesie ze sobą także dodatkową korzyść. Odpowiedź filtra różnicowego jest normalnie tłumiona przez obciążenie, jednak będzie ono niewystarczające w przypadku braku podłączonego głośnika, podobnie jak na charakterystyce z rys. 3. Użycie filtra sygnału wspólnego z dodatkowymi rezystorami zapewni odpowiednie tłumienie, nawet przy odłączonym głośniku.

Filtry hybrydowe

Rys. 7. Charakterystyka filtra hybrydowego oraz filtra sygnału wspólnego

Kondensatory metalizowane są stosunkowo drogie, więc zwiększenie ich liczby w filtrze z jednego do czterech ma znaczny wpływ na całkowity koszt wzmacniacza. Rozwiązaniem w takiej sytuacji może być użycie filtra hybrydowego, który łączy zalety filtra sygnału wspólnego przy koszcie zbliżonym do kosztu zwykłego filtra różnicowego.

Filtr hybrydowy zawiera zarówno elementy filtra sygnału wspólnego, jak i filtra różnicowego (rys. 6). Tworzą go cewki i elementy RC znajdujące się pomiędzy masą a zaciskami głośnika, jak w filtrze sygnału wspólnego oraz dodatkowy kondensator, jak w dolnoprzepustowym filtrze różnicowym. Mogłoby się wydawać, że umieszczenie w obwodzie piątego kondensatora zwiększy koszt filtru, jednak kluczowe jest użycie tańszych warstwowych kondensatorów ceramicznych typu X7R, których pojemności powinny być znacząco mniejsze od pojemności metalizowanego kondensatora C1. Dzięki temu filtr hybrydowy będzie tylko nieznacznie droższy od filtra różnicowego oraz w dalszym ciągu będzie w stanie zapewnić dobre tłumienie sygnału wspólnego, także w przypadku braku obciążenia.

Dzięki mniejszej pojemności kondensatorów ceramicznych zniekształcenia harmoniczne zostaną bardziej ograniczone, jednak jeśli będzie ona zbyt niska odniesie to niekorzystny wpływ na tłumienie zaburzeń elektromagnetycznych oraz tłumienie przy braku obciążenia.

Rys. 8. Charakterystyka filtra hybrydowego oraz filtra sygnału wspólnego w przypadku braku obciążenia

Filtr hybrydowy ma również kilka wad. Tłumienie sygnału różnicowego jest na poziomie zwykłego filtra sygnału wspólnego, jednak sygnał wspólny jest tłumiony gorzej. Ponieważ pojemności kondensatorów filtra sygnału wspólnego są większe niż odpowiednie kondensatory w filtrze hybrydowym, częstotliwość środkowa filtra hybrydowego jest wyższa, co oznacza mniejsze tłumienie w częstotliwości przełączania i jego harmonicznych (rys. 7). Kolejną niedogodnością jest mniejsze tłumienie sygnału różnicowego w przypadku braku obciążenia niż w zwykłym filtrze sygnału wspólnego. Jest to związane z przepływem prądu o wysokiej częstotliwości przez kondensator o dużej pojemności umieszczony między zaciskami głośnika. Normalnie nie stanowi to problemu, ponieważ głośnik tłumi sygnał różnicowy, jednak w przypadku braku obciążenia tłumienie będzie znacznie gorsze (rys. 8). Zatem filtr hybrydowy powinien zapewniać na tyle duże tłumienie, aby zabezpieczyć wzmacniacz w przypadku braku podłączonego głośnika. Ponadto zniekształcenia harmoniczne w filtrze hybrydowym będą nieznacznie większe niż w zwykłym filtrze sygnału wspólnego, ponieważ filtr hybrydowy tworzą głównie kondensatory ceramiczne, podczas gdy filtr sygnału wspólnego i różnicowy zawierają z reguły tylko kondensatory metalizowane o dużo lepszych właściwościach.

Także dobór parametrów poszczególnych składników filtra hybrydowego jest bardziej złożony, ponieważ istnieje konieczność znalezienia kompromisu między wydajnością w zakresie sygnału wspólnego i różnicowego.

Filtry hybrydowe dla wzmacniaczy single-ended nieznacznie różnią się od filtrów hybrydowych dla wzmacniaczy BTL. Dla wysokich częstotliwości impedancja C1 jest znacznie mniejsza niż impedancja szeregowego połączenia C2 i C3, więc kondensator C3 nie jest wymagany (rys. 9).

Tłumiki przepięć

Rys. 9. Filtr hybrydowy dla wzmacniacza single-ended

W chwili przełączania wyjścia wzmacniacza klasy D następuje tzw. czas martwy między momentem wyłączenia jednego tranzystora a włączenia drugiego. Dzięki niemu dwa tranzystory nigdy nie są jednocześnie w stanie przewodzenia, co mogłoby doprowadzić do przepływu przez nie znacznych prądów skrośnych ze źródła do masy. Jednak stanowi to także problem, ponieważ prąd przepływający przez cewki jest w tym czasie przerywany. W takiej sytuacji na wyjściach wzmacniaczy stosuje się z reguły tłumiki przepięć zapewniające inną drogę przepływu prądu cewki podczas czasu martwego.

Istnieją dwa typy tłumików. W przypadku wzmacniaczy BTL można stosować tłumiki różnicowe z rezystorem i kondensatorem umieszczonym szeregowo pomiędzy dwoma wyjściami. Tłumiki sygnału wspólnego składają się z rezystora i kondensatora połączonego szeregowo między wyjściem a masą i mogą być stosowane zarówno w przypadku wzmacniaczy niesymetrycznych, jak i wzmacniaczy mostkowych.

Tłumiki sygnału wspólnego dla wzmacniaczy BTL składają się z dwukrotnie większej liczby elementów niż tłumiki różnicowe, jednak mogą one zmniejszyć zakłócenia harmoniczne. Zalecane parametry składników tłumika są przeważnie podawane przez producentów wzmacniaczy.

Wzmacniacze bezfiltrowe

Przy opisie filtrów dla wzmacniaczy klasy D nie można zapomnieć o wzmacniaczach bezfiltrowych. Głównym celem filtrów wyjściowych jest redukcja sygnałów zakłócających związanych z przełączaniem, jednak możliwe jest również użycie wzmacniacza klasy D bez dołączonego filtra. Co prawda na wyjściu wzmacniacza zawsze istnieje znaczny sygnał przełączania o wysokiej częstotliwości, lecz znajduje się on daleko powyżej pasma użytecznego większości głośników, więc możliwe jest uzyskanie dźwięku o wysokiej jakości nawet bez dołączonego filtra. Bezfiltrowe wzmacniacze klasy D są jednak mniej efektywne, ponieważ energia o wysokiej częstotliwości jest rozpraszana w postaci ciepła lub zakłóceń EMI, podczas gdy w normalnej sytuacji byłaby zaabsorbowana przez filtr.

Bezfiltrowe wzmacniacze klasy D powinny mieć regulowane czasy narastania i opadania w celu zapewnienia dobrego tłumienia w paśmie wysokich częstotliwości. Wymagają one także dokładnego projektu płytki drukowanej, aby zapobiec problemom związanym z kompatybilnością elektromagnetyczną. Odległość pomiędzy głośnikiem a wzmacniaczem powinna być jak najmniejsza, podobnie jak obszar pętli od wyjścia wzmacniacza do innego wyjścia lub masy. Ponadto przewody łączące płytkę drukowaną z głośnikiem powinny być ze sobą skręcone w celu minimalizacji odległości między nimi, co jest dobrą praktyką również w przypadku wzmacniaczy klasy D z dołączonymi filtrami.

Grzegorz Michałowski