Улучшение характеристик усилителей класса D

Благодаря высокому КПД усилители класса D отлично подходят для портативных устройств. Проходя через усилитель, сигнал модулируется в блоке широтно-импульсного модулятора (ШИМ), поэтому на выходе его необходимо восстанавливать. Обычно это делается с помощью оконечного ФНЧ. Однако фильтр неизбежно вносит помехи и дополнительное искажение сигнала. Кроме того, увеличивается размер и стоимость устройства.

К счастью, существует несколько подходов, не требующих использования ФНЧ. Рассмотрим один из них на примере усилителя MAX9700 (Maxim), упрощенная схема которого приведена на рисунке 2. Усилитель содержит два независимых выходных канала с компараторами. На вход компараторов поступает дифференциальный звуковой сигнал и сигнал с генератора пилообразного напряжения. Когда на выходах компараторов устанавливаются сигналы с низким уровнем, оба выхода усилителя переключаются в активное (высокий уровень) состояние. Выход элемента ИЛИ-НЕ также имеет высокий уровень, однако он устанавливается с задержкой, которая задается цепью RONCON. Когда сигнал с выхода элемента ИЛИ-НЕ преодолевает пороговое значение, ключи S1 и S2 закрываются. Соответственно, выходы OUT+ и OUT– переходят на низкий уровень до следующего такта. Таким образом, оба выхода схемы находятся в активном состоянии только в течение короткого интервала tON(min), который определяется номиналами RON и CON.

Если на входе усилителя присутствует нулевой сигнал, то выходные сигналы OUT+ и OUT– находятся точно в фазе, и ширина импульса равна tON(min). При изменении амплитуды входного сигнала компараторы переключаются в разные моменты времени, поэтому ширина импульсов на выходах усилителя перестает совпадать. Средняя величина каждого выходного сигнала представляет собой выпрямленный исходный звуковой сигнал. Разность этих средних значений дает полный аудиосигнал.
Поскольку выходы синфазны, когда на входе ноль, то дифференциальный сигнал в нагрузке отсутствует, а мощность потребления минимальна. Таким образом, мы избавились от необходимости использовать ФНЧ.
У этой схемы есть еще одно достоинство. Импеданс динамика имеет две составляющих: активную (Re) и индуктивную (Le) (индекс е указывает на принадлежность к электронному компоненту). Вместе они образуют ФНЧ первого порядка с частотой среза

fc = 1/(2?Le/Re) [Гц].

Для большинства динамиков ФНЧ первого порядка вполне достаточно для восстановления звукового сигнала и предотвращения излишнего рассеяния энергии. Следует обратить внимание, что индуктивные характеристики динамика должны сохраняться на частоте переключения усилителя, чтобы номинальная мощность была максимальна.

Методы уменьшения помех
Как правило, усилители класса D рассеивают значительное количество энергии в виде электромагнитных помех. Поскольку выходной импульс имеет прямоугольную форму, то их сложно уменьшить до допустимого стандартом уровня без применения выходного фильтра.
Одно из решений данной проблемы — расширение спектра частоты переключения. Рассмотрим пример. Пусть частота переключения усилителя меняется случайным образом в пределах некоторого диапазона, скажем, ±10%. Хотя при этом и увеличивается полоса частот, на которых усилитель излучает посторонние ВЧ-сигналы, зато пиковые значения сигналов на этой полосе существенно уменьшаются и не превышают допустимые уровни. Необходимо следить, чтобы рабочий цикл модулированного сигнала не менялся, иначе исходный звуковой сигнал или его часть будут потеряны.
Таким образом, суммарная мощность в выходном спектре остается постоянной, но распределяется по более широкому диапазону частот. Пиковые значения ВЧ-сигналов уменьшаются, и излучение от проводов становится слабее.
Данный метод модуляции с расширенным спектром позволяет существенно снизить электромагнитные помехи, однако у него есть один важный недостаток: длина кабелей, соединяющих динамик со схемой, ограничена. Чем больше длина проводов, тем больше мощности они рассеивают. Если излучение превышает допустимое значение, а длину кабелей уменьшить не удается, то необходимо использовать фильтр. Во многих случаях для этого достаточно использовать ферритовую шайбу.
Рассмотрим другой способ уменьшения электромагнитных помех. Он называется методом регулирования наклона фронтов (ERC — edge rate control). В большей степени помехи, генерируемые усилителями класса D, обусловлены резкими краями выходных импульсов. Чем меньше время фронта или спада импульса, тем больше электромагнитных помех он создает. Если же эти времена увеличить, то края импульса перестанут быть резкими, и излучение ослабеет. Однако при этом изменяется форма импульса, что приводит к увеличению нелинейных искажений, появлению шумов и ухудшению характеристик усилителя. Так, чем дольше выходной каскад будет находиться в промежуточном положении между полностью включенным и полностью выключенным состояниями, тем больше мощности будет рассеиваться в виде тепла.
Несмотря на этот недостаток, метод регулирования фронтов является довольно распространенным среди разработчиков. При аккуратном расчете и проектировании схемы потери по мощности и нелинейные искажения можно свести к минимуму. Часто для уменьшения электромагнитных помех достаточно замедлить только часть фронта или спада. При этом модулированный сигнал корректируется включением дополнительных внутренних обратных связей.
На практике для уменьшения электромагнитных помех важно соблюдать изоляцию сигнальных каналов и располагать аналоговые входы как можно дальше от всех элементов, работающих в ключевом режиме.


Ответить