Wzmacniacze mocy klasy D - zyskaj więcej, płacąc mniej

Wynika to z faktu, że tranzystory dużej mocy pracujące w stopniu wyjściowym wzmacniacza klasy D są przełączane, a nie sterowane liniowo, jak miało to miejsce w tradycyjnych wzmacniaczach. Ponieważ każdy z tranzystorów znajduje się albo w stanie odcięcia, albo w stanie pełnego włączenia, oznacza to w przybliżeniu przepływ zerowego prądu lub zerowy spadek napięcia. Konsekwencją tego jest, w teorii, zerowa moc tracona w tranzystorze. W rzeczywistości na przewodzącym tranzystorze występuje pewien mały spadek napięcia. Do źródeł strat należy też zaliczyć stosunkowo duży ładunek bramki tranzystora oraz elementy poprzedzające stopień mocy.

W rozwiązaniach praktycznych wytworzenie sygnału analogowego wymaga, oprócz tranzystorów przełączających, zastosowania również dodatkowych obwodów. Blok modulatora przetwarza analogowy lub cyfrowy sygnał wejściowy na sygnał o modulowanej długości impulsu (PWM). Blok filtru dolnoprzepustowego przetwarza z kolei wzmocniony sygnał PWM na sygnał analogowy sterujący głośnikiem. We wzmacniaczach małej mocy modulator i stopień wyjściowy są zazwyczaj zamykane w pojedynczym układzie scalonym, jednak przy większej mocy wyjściowej rozwiązanie takie napotyka na ograniczenia technologiczne uniemożliwiające realizację w tej samej strukturze elementów przełączających dużej mocy i obwodów DSP.

Istnieje wiele różnych topologii wzmacniaczy mocy klasy D, w których wykorzystuje się zarówno rozwiązania jednoukładowe, jak i polegające na rozdzieleniu modulatora od obwodów dużej mocy. W drugim z przypadków zaletą jest łatwość skalowania, ponieważ uzyskanie danej mocy wyjściowej{mosimage} możliwe jest z wykorzystaniem tego samego modulatora poprzez wymianę jedynie stopnia wyjściowego i zasilacza (rys. 1).

Dzięki segmentacji systemu stopień wyjściowy może być realizowany w niezawodnej, wysokonapięciowej technologii typowej dla elementów półprzewodnikowych dużej mocy, natomiast sam modulator realizowany jest w oparciu o technologię CMOS. Funkcje cyfrowego przetwarzania sygnałów, takie jak kompresja dynamiczna, cyfrowa kontrola poziomu sygnału czy korekcja charakterystyki częstotliwościowej, mogą być wówczas łatwiej zintegrowane z modulatorem.

Trudności związane z zasilaniem i ich rozwiązywanie

Przy projektowaniu wzmacniaczy klasy D pojawiają się nowe problemy, które wymagają rozwiązania. Między innymi wzmacniacze tego typu są dużo czulsze na niestabilność napięcia zasilającego niż wzmacniacze liniowe. Pasmo wzmacniaczy liniowych jest ograniczone do pasma akustycznego, natomiast wzmacniacze klasy D przełączają stopień mocy z częstotliwościami rzędu nawet kilkuset kHz. Generacja precyzyjnych impulsów prostokątnych przy tych częstotliwościach wymaga stosowania zasilacza umożliwiającego bardzo szybkie zmiany prądu wyjściowego, bez oscylacji i spadków napięcia. Jak wiadomo, każda indukcyjność i pojemność szczątkowa utrudnia szybki przepływ ładunku, toteż wykorzystywane kondensatory powinny charakteryzować się możliwie najmniejszą ekwiwalentną rezystancją szeregową (ESR). Nie wystarczy tutaj równoległe podłączenie małego kondensatora o małym ESR do dużego, konwencjonalnego kondensatora elektrolitycznego. Ponieważ moc przekazywana jest w krótkich "paczkach", wszystkie kondensatory muszą się charakteryzować małym ESR. Indukcyjności i pojemności szczątkowe na płytce drukowanej również są istotne z punktu widzenia obwodu i ich wpływ musi być zminimalizowany poprzez umieszczenie kondensatorów możliwie blisko stopnia wyjściowego.

Architektura stopnia wyjściowego, w której następuje sekwencyjne, a nie równoczesne przełączanie tranzystorów mocy, pozwala zmniejszyć wymagania odnośnie obwodu zasilającego. Zaawansowane modulatory PWM udostępniają funkcję PWM phase-shift {mosimage}ustalającą stałe opóźnienie czasowe pomiędzy sygnałami PWM w poszczególnych kanałach wyjściowych. Opóźnienie to stanowi ułamek długości cyklu PWM i jest zbyt małe, aby powodować słyszalne zakłócenia w stopniu wyjściowym, natomiast powoduje rozłożenie zakłóceń na całej długości cyklu PWM (rys. 2). {mosimage}Taka technika zmniejsza skoki prądu w obwodzie zasilającym w tym większym stopniu, im większa jest liczba kanałów. Wiele wzmacniaczy klasy D nie tłumi również w ogóle tętnień napięcia zasilającego albo tłumi je w małym stopniu. Aby zapobiec niepożądanej modulacji sygnału w paśmie akustycznym, wymagana jest regulacja napięcia zasilającego. Najlepsze okazuje się być w tym przypadku zastosowanie zasilacza impulsowego, charakteryzującego się zazwyczaj dużą szybkością regulacji napięcia w szerokim paśmie częstotliwości. Eliminuje to konieczność stosowania regulatorów analogowych i pozwala na zastosowanie mniejszych kondensatorów w obwodzie wyjściowym, przekładając się na zwiększenie sprawności urządzenia.

Wzmacniacze klasy D i zaburzenia elektromagnetyczne

Typowym problemem dla wzmacniaczy klasy D są zaburzenia elektromagnetyczne wywoływane szybkim przełączaniem dużych prądów w stopniu wyjściowym. Najprostszą metodą ograniczania poziomu zaburzeń jest stosowanie możliwie najkrótszych kabli i ścieżek na płytce drukowanej prowadzących do stopnia wyjściowego. Jeśli tylko jest to możliwe, obwód zasilający powinien być ulokowany na tej samej płytce, co stopień wyjściowy. Więcej problemów stwarzają kable głośnikowe. O ile w przypadku zintegrowanych systemów typu skrzynkowego są one krótkie, w przypadku głośników zewnętrznych długość kabli jest całkowicie poza kontrolą projektanta i filtracja sygnałów staje się koniecznością. Uzyskanie skutecznego tłumienia zaburzeń bez utraty jakości sygnału jest zadaniem trudnym, gdyż ich widmo leży relatywnie blisko pasma akustycznego. Zaburzenia te stanowią w głównej mierze częstotliwość pracy modulatora PWM i jej harmoniczne.{mosimage} W konsekwencji projektant staje przed trudnym wyborem: czy wybrać filtr o małej częstotliwości odcięcia, tłumiący skutecznie zaburzenia, ale równocześnie tłumiący soprany? Czy może lepiej wybrać filtr o większej częstotliwości odcięcia, gwarantujący płaską charakterystykę w zakresie akustycznym, kosztem większego poziomu generowanych zaburzeń (rys. 3)? Filtry wyższego rzędu znacznie lepiej rozdzielają pasma częstotliwościowe, jednak koszt cewek o wysokiej jakości jest często nie do zaakceptowania. Rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie cyfrowego korektora charakterystyki dołączonego do modulatora PWM. Wstępne podbicie tonów wysokich w tym stopniu pozwala zrównoważyć efekt ich tłumienia przez wyjściowy filtr niskiego rzędu o małej częstotliwości odcięcia, a tym samym uzyskać płaską charakterystykę częstotliwościową w całym paśmie akustycznym. Regulując charakterystykę korektora, można też dopasować parametry filtru do głośników o różnych impedancjach, dzięki czemu ten sam projekt wzmacniacza może być wykorzystywany w kilku aplikacjach.

Dodatkowe techniki

Istnieje szereg technik pozwalających uzyskać lepszą jakość dźwięku bez ponoszenia dodatkowych kosztów. Jedną z nich jest wydzielenie wzmacniacza dla głośnika niskotonowego, tzw. subwoofera. Dzięki temu pozostałe głośniki nie muszą odtwarzać sygnałów z całego pasma akustycznego, a co za tym, idzie mogą być mniejsze i tańsze. Sygnały z dolnego zakresu częstotliwości akustycznych nie niosą ze sobą informacji kierunkowych (lub w bardzo minimalnym stopniu), toteż takie rozwiązanie praktycznie nie zakłóca przestrzennego obrazu dźwięku. Ponadto dedykowany subwoofer ułatwia wierne odwzorowanie basów, co jest istotne dla wielu użytkowników. Tego typu zestawy są oznaczane w handlu symbolem2.1-channel.

Dynamiczna kompresja szczytu pozwala uzyskać większy (głośniejszy) sygnał audio bez zwiększania mocy stopnia wyjściowego. Wynika to z faktu, że chwilowa wartość sygnału audio jest w większości przypadków znacznie mniejsza od jego wartości szczytowej. W domenie cyfrowej sygnał jest wzmacniany poprzez mnożenie danych audio przez stałą wartość wzmocnienia. {mosimage}W szczycie sygnału, gdy iloczyn ten zbliża się do wartości maksymalnej bądź też minimalnej, jaka może być reprezentowana przez procesor sygnałowy, uruchamia się mechanizm ograniczania zakłóceń powodujący ograniczanie wartości wzmocnienia. Po zmniejszeniu się wartości sygnału, wzmocnienie powraca do nominalnego poziomu. Aby nie powodować skokowych zmian sygnału, wszelkie zmiany wzmocnienia muszą następować w trakcie przejścia sygnału przez zero. Co więcej, muszą być one stopniowe, z dobrze zdefiniowanym czasem ataku (w którym następuje ograniczenie wzmocnienia) i zanikania (zwiększenie wzmocnienia). Przedstawiono to na rys. 4. Jednak i tutaj występuje pewien dylemat. Krótki czas zanikania jest pożądany, ponieważ pozwala wygenerować większą moc przez wzmacniacz. Musi być równocześnie odpowiednio długi w porównaniu z okresem sygnału. Projektując wzmacniacz pod kątem najgorszego przypadku, a więc sygnału akustycznego o niskiej częstotliwości, konieczność takiego wydłużenia czasu zanikania może powodować, że sens traci stosowanie techniki kompresji. Z kolei zbyt krótki czas zanikania powoduje zniekształcanie tonów niskich. W najnowszych rozwiązaniach modulatorów PWM udało się obejść ten problem poprzez uzależnie nie czasu zanikania od częstotliwości sygnału. W rezultacie zmiana wzmocnienia następuje bardzo szybko przy dużych częstotliwościach i znacznie wolniej przy małych.

Wraz z pojawianiem się na rynku coraz bardziej wyrafinowanych komponentów elektronicznych, projektanci mogą w pełni wykorzystać zalety wzmacniaczy mocy klasy D, równocześnie ograniczając ich wady. Duża sprawność wzmacniaczy klasy D w połączeniu z cyfrowymi metodami poprawiania jakości dźwięku pozwala osiągnąć stosunek ceny do parametrów niemożliwy do uzyskania w przypadku tradycyjnych wzmacniaczy liniowych.

Tomasz Daniluk