Как работает усилитель класса d, или не такой как все

Проблемы дизайна

Скорость переключения

Две важные проблемы при проектировании схем драйверов MOSFET в усилителях класса D заключаются в том, чтобы максимально сократить время простоя и работу в линейном режиме. «Мертвое время» — это период во время переключения, когда оба выходных полевых МОП-транзистора переведены в режим отсечки и оба «выключены». Мертвые времена должны быть как можно более короткими, чтобы поддерживать точный выходной сигнал с низким уровнем искажений, но слишком короткие мертвые времена приводят к тому, что MOSFET, который включается, начинает проводить ток до того, как MOSFET, который выключается, перестанет проводить. Полевые МОП-транзисторы эффективно замыкают выходной источник питания через себя в состоянии, известном как «сквозной проход». Между тем, драйверы MOSFET также должны как можно быстрее переводить полевые МОП-транзисторы между состояниями переключения, чтобы минимизировать количество времени, в течение которого полевой МОП-транзистор находится в линейном режиме — состоянии между режимом отсечки и режимом насыщения, когда полевой МОП-транзистор не включен ни полностью, ни полностью. выключен и проводит ток со значительным сопротивлением, создавая значительное тепло. Отказы драйверов, которые допускают прострел и / или слишком большую работу в линейном режиме, приводят к чрезмерным потерям, а иногда и к катастрофическому отказу полевых МОП-транзисторов. Также есть проблемы с использованием ШИМ для модулятора; по мере того, как уровень звука приближается к 100%, ширина импульса может стать настолько узкой, что это будет препятствовать способности схемы драйвера и полевого МОП-транзистора реагировать. Эти импульсы могут сокращаться до нескольких наносекунд и могут привести к вышеуказанным нежелательным условиям сквозного и / или линейного режима. Вот почему другие методы модуляции, такие как модуляция плотности импульсов, могут приблизиться к теоретической 100% эффективности, чем ШИМ.

Электромагнитная интерференция

Переключаемый силовой каскад генерирует как высокие значения dV / dt, так и dI / dt, которые вызывают излучаемое излучение всякий раз, когда какая-либо часть схемы достаточно велика, чтобы действовать как антенна . На практике это означает, что соединительные провода и кабели будут наиболее эффективными излучателями, поэтому больше всего усилий следует направить на предотвращение попадания высокочастотных сигналов на следующие:

• Избегайте емкостной связи при коммутации сигналов в проводке.
• Избегайте индуктивной связи различных токовых контуров силового каскада с проводкой.
• Используйте одну сплошную заземляющую пластину и сгруппируйте все разъемы вместе, чтобы иметь общий опорный радиочастотный сигнал для развязывающих конденсаторов.
• Перед выбором компонентов включите эквивалентную последовательную индуктивность конденсаторов фильтра и паразитную емкость катушек индуктивности фильтра в модель схемы.
• Везде, где встречается звон , найдите индуктивную и емкостную части резонансного контура, который его вызывает, и используйте демпферы с параллельным RC или последовательным RL для уменьшения добротности резонанса.
• Не заставляйте полевые МОП-транзисторы переключаться быстрее, чем это необходимо для выполнения требований к эффективности или искажениям. Искажения легче уменьшить, используя отрицательную обратную связь, чем ускоряя переключение.

Конструкция блока питания

Усилители класса D предъявляют дополнительные требования к источнику питания, а именно, чтобы он мог поглощать энергию, возвращаемую от нагрузки. Реактивные (емкостные или индуктивные) нагрузки накапливают энергию в течение части цикла и возвращают часть этой энергии позже. Линейные усилители рассеивают эту энергию, усилители класса D возвращают ее в источник питания, который должен каким-то образом сохранять ее. Кроме того, полумостовые усилители класса D передают энергию от одной шины питания (например, положительной шины) к другой (например, отрицательной) в зависимости от знака выходного тока. Это происходит независимо от того, резистивная нагрузка или нет. Источник должен либо иметь достаточно емкостного накопителя на обоих рельсах, либо иметь возможность передавать эту энергию обратно.

Выбор активного устройства

Активные устройства в усилителе класса D должны действовать только как управляемые переключатели и не должны иметь особо линейного отклика на управляющий вход. Обычно используются биполярные транзисторы или полевые транзисторы. Вакуумные лампы могут использоваться в качестве устройств переключения мощности в усилителях звука класса D.

Звук

Усилитель выдает очень свободное красивое звучание с превосходной детализацией, богатыми тембрами и длинными естественными послезвучиями живых инструментов. Сцена выстраивается максимально точно и масштабно, с достоверной передачей пропорций и местоположения виртуальных источников звука в пространстве. Все вполне соответствует представлениям о том, как должен играть хороший усилитель категории High End. Никакой синтетики, жесткости или «дискретности», которую в звучании класса D обнаруживают некоторые адепты старой школы, не наблюдается. Напротив, Marantz PM-KI RUBY успешно сочетает лучшие объективные характеристики с фирменной утонченной и легкой подачей музыкального материала.

Это типично «марантцовское» звучание проявляется, в первую очередь, в излишней интеллигентности при воспроизведении металла и тяжелого рока. В то же время классика любых составов, джаз и вокал звучат очень живо и натурально. Весьма похожий, возможно, даже чуть более красивый и приторный характер звучания проявляли усилители Marantz прошлых лет, работающие в классе АВ, что позволяет сделать вывод о нейтральном характере звучания усилителей мощности класса D.

Подключение к усилителю Marantz PM-KI RUBY акустики разной мощности, с разной чувствительностью и разным импедансом дало вполне ожидаемый результат: отсутствие какой либо выраженной реакции на изменение этих параметров. С любой стереопарой усилитель справлялся одинаково уверенно.

Даже на самой сложной нагрузке и на высокой громкости на удивление стабильно воспроизводились нижние ноты контрабаса — они звучали абсолютно четко, без гула, с натуральной передачей ощущения вибрирующей струны и откликающейся на эту вибрацию деки инструмента. Одним словом, все происходило ровно так, как и должно происходить с усилителем, имеющим заявленное сочетание мощности и коэффициента демпфирования.

Усилитель класса B

Усилители класса B были изобретены как решение проблем эффективности и нагрева, связанных с предыдущим усилителем класса A. Усилитель базового класса B использует два дополнительных транзистора, либо биполярные из полевых транзисторов, для каждой половины формы сигнала, а его выходной каскад сконфигурирован по схеме «двухтактный», так что каждое транзисторное устройство усиливает только половину выходного сигнала.

В усилителе класса B отсутствует базовый ток смещения постоянного тока, поскольку его ток покоя равен нулю, так что мощность постоянного тока мала, и, следовательно, его эффективность намного выше, чем у усилителя класса А. Однако цена, уплачиваемая за повышение эффективности, заключается в линейности коммутационного устройства.

Когда входной сигнал становится положительным, транзистор с положительным смещением проводит, а отрицательный транзистор выключен. Аналогично, когда входной сигнал становится отрицательным, положительный транзистор выключается, а отрицательный смещенный транзистор включается и проводит отрицательную часть сигнала. Таким образом, транзистор проводит только половину времени либо в положительном, либо в отрицательном полупериоде входного сигнала.

Затем мы можем видеть, что каждое транзисторное устройство усилителя класса B проводит только через половину или 180 градусов выходного сигнала в строгом временном чередовании, но поскольку выходной каскад имеет устройства для обеих половин сигнала, эти две половины объединяются вместе для получения полного линейного выходного сигнала.

Эта двухтактная конструкция усилителя, очевидно, более эффективна, чем класс A, примерно на 50%, но проблема с конструкцией усилителя класса B заключается в том, что она может создавать искажения в точке пересечения нуля сигнала из-за мертвой зоны транзисторов входных базовых напряжений от -0,7 В до +0,7.

Мы помним из учебника по транзисторам, что требуется напряжение базового эмиттера около 0,7 вольт, чтобы заставить биполярный транзистор начать проводку. Затем в усилителе класса B выходной транзистор не «смещен» до состояния «ВКЛ», пока не будет превышено это напряжение.

Это означает, что та часть сигнала, которая попадает в это окно 0,7 В, не будет воспроизводиться точно, что делает усилитель класса B непригодным для применения в прецизионных усилителях звука.

Чтобы преодолеть это искажение при пересечении нуля (также известное как перекрёстное искажение), были разработаны усилители класса AB.

Минусы

Обладая совершенно убийственными преимуществами, класс D не завоевал рынок Hi-Fi целиком и полностью лишь потому, что имеет свои слабые места, которые для многих ценителей качественного звука выглядят куда более значительными, нежели энергоэффективность. Наличие в схеме высокочастотного генератора само по себе является потенциальным источником электромагнитных помех, негативно влияющих на звучание самого усилителя и на работу соседствующих с ним компонентов звукового тракта.

Неподготовленный слушатель, возможно, не заметит данного эффекта или не придаст ему значения, но в индустрии Hi-Fi и High End, когда всякая мелочь имеет значение, такое соседство не приветствуется и вынуждает инженеров совершенствовать фильтрующие схемы и идти на прочие ухищрения, чтобы исключить влияние вредоносного СВЧ-генератора несущей частоты на воспроизводимый аудиосигнал.

Высокий КПД усилителей класса D стал причиной одной специфической особенности: высокой зависимости качества и характера звучания от блока питания. Если производитель решит использовать импульсный источник питания и не озаботится достаточным количеством фильтрующих схем, часть шумов обязательно проникнет в колонки и подпортит впечатление от звучания. Плохой блок питания, конечно, и классу АВ на пользу не пойдет, но именно в классе D эта проблема проявляется наиболее остро.

Классы работы звуковых усилителей

Все усилительные устройства разделяются на несколько классов, в зависимости от того, какая степень протекания в течение периода работы тока через каскад:

1. Класс «А» – ток протекает безостановочно в течение всего периода работы усилительного каскада.
2. В классе работы «В» протекает ток в течение половины периода.
3. Класс «АВ» говорит о том, что ток протекает через усилительный каскад в течение времени, равного 50-100 % от периода.
4. В режиме «С» электрический ток протекает менее чем половину периода времени работы.
5. Режим «D» УНЧ применяется в радиолюбительской практике совсем недавно – чуть больше 50 лет. В большинстве случаев эти устройства реализуются на основе цифровых элементов и имеют очень высокий КПД – свыше 90 %.

Используемые усилительные элементы

Ламповые. Казалось бы, парадокс – телевизионная техника уже давно ушла от элетронно-лучевых труб и электроваккумных ламп, а тут именно те самые лампы. Да, действительно, когда речь идёт об акустических устройствах и в частности об усилителях, ламповая техника является нестареющей классикой. Аудиофилы считают, что именно такие ламповые приборы способны передавать чистое и верное звучание.

Выпускается этот тип аппаратуры в оригинальном дизайне небольшими партиями специально для меломанов и даже, несмотря на внушительные габариты и вес, а также низкий КПД и большое тепловыделение, ламповые усилители пользуются спросом. Правда, стоят такие устройства крайне дорого.

Транзисторные. Основа усиления в этом типе пока ещё популярной аппаратуры – биполярные и полевые транзисторы.

Главными заслугами таких усройств является простота и возможность большая мощность.

Интегральные. Самый популярный сегодня тип усилительной аппаратуры на интегральных микросхамах. Есть техника, включающая кристаллы как предусилитель, так и оконечный каскад. Причём структура их может быть разная, и работают они в разных классах.

Основными преимуществами интегральной аппаратуры является минимальное количество составляющих элементов и, естественно, небольшие размеры.

Гибридные. Аппараты, состоящие из каскадов на полупроводниках и на лампах. Либо – из электронных ламп и интегральных микросхем.

Плюсы

Главный плюс усилителей класса D, ради которого и затевалась история с модуляцией сигнала — энергоэффективность. Причем и в теоретических выкладках, и в реальных цифрах это дает такой прирост КПД, с которым хоть как-то может сравниться разве что переход от класса А к классам В и АВ, а все достижения класса G и прочих на его фоне кажутся довольно слабой попыткой.

Работая в импульсном режиме, половину времени транзистор проводит в полностью закрытом состоянии, а значит имеет нулевой ток покоя и не потребляет энергии. При этом в момент включения транзистор работает на полную мощность, перенаправляя всю энергию, поступающую от блока питания, на выход усилителя.

В итоге, эти самые теоретические 100% КПД при практической реализации дают действительно превосходные значения порядка 90–95%. А поскольку лишь единицы процента энергии расходуются на нагрев транзисторов, радиаторы можно использовать исчезающе малого размера. Для получения на выходе 100–200 Вт на канал усилитель класса АВ должен иметь радиаторы, занимающие одну или обе боковых стенки корпуса, а усилитель класса D обойдется кусочком алюминия размером в один-два спичечных коробка.

Кстати, то же самое можно сказать о размере платы усилителя мощности: в классе D она получается в разы компактнее, даже если собирается не на микросхемах, а на дискретных элементах. Ну и в завершение всего, усилители класса D имеют меньшую себестоимость, нежели сопоставимые по мощности модели других классов. Впрочем, последнее касается скорее DIY-проектов — производители же предпочитают вкладывать сэкономленные деньги в повышение качества звучания и прочие усовершенствования, тем более что в классе D и вправду есть что улучшать.

VOLUME2

Volume2 — простая программа, которая используется в качестве альтернативы стандартного регулятора громкости Windows. Утилита распространяется на бесплатной основе, интерфейс переведен на русский язык.

После запуска программа переместится в системный трей. При нажатии на иконку утилиты в трее откроется классический регулятор с настройками громкости, баланса и функцией отключения звука.

При нажатии правой кнопкой мыши на иконку приложения станут доступны дополнительные функции:

1. Включение и отключение звука.
2. Выбор устройства для воспроизведения по умолчанию: колонки, наушники, микрофон.
3. Управление подключенными устройствами.
4. Внесение изменений в микшер громкости.
5. Настройка устройств воспроизведения.
6. Включение индикатора пикового уровня звука.
7. Отключение Volume2.

В разделе настроек программы «Основные» пользователи могут изменить устройство для управления, изменить громкость отдельного приложения или всей системы, выбрать альтернативное устройство и т.д.

• «Экранный индикатор». Здесь можно включить или отключить индикатор, а также изменить его стиль и место для размещения на экране.
• «Системный трей» — в этом разделе доступна функция изменения иконки индикатора программы в трее операционной системы Windows.
• В разделе «События мыши» расположены настройки для изменения формата работы программы с мышью: смена функций при клике на левую и правую кнопку, установка новых возможностей для колесика и т.д.
• «Управление у края» — в этом разделе опций можно включить функцию управления громкостью у края экрана.
• «Горячие клавиши». Здесь пользователи могут установить горячие клавиши для быстрого управления программой.
• «Системные». Здесь производятся системные настройки приложения Volume2: запуск утилиты вместе с ОС Windows, включение уведомлений и т.д.
• «Расписание». В этом разделе можно включить расписание для выполнения различных действий: увеличение или уменьшение громкости, запуск программы и т.д. Для этого нужно указать дату, время и количество повторений выбранного действия.
• В разделе «Язык интерфейса» можно изменить язык программы.

Также рекомендуем изучить список программ для усиления звука на Windows-компьютере.

Как работают усилители АВ-класса?

Очевидно, что хороший усилитель должен работать без искажений. Иными словами, выходной сигнал своей формой должен в точности повторять входной. Но ничего идеального, к сожалению, не бывает, в том числе и электронных компонентов.

Например, транзисторы имеют свойство – они открываются и закрываются не совсем пропорционально входному сигналу. Иными словами, их работа нелинейна. Это как если вы будете поворачивать ручку крана, вода сначала будет течь слабо, а потом в какой-то момент напор вдруг резко усилится.

По причине такой нелинейности транзисторы в усилителях АВ-класса обычно приходится держать приоткрытыми даже когда сигнала нет. Это нужно, чтобы при появлении даже малейшего сигнала они вступали в работу сразу же, а не ждали, когда сигнал достигнет какого-то уровня. Так усилитель будет работать с минимальными искажениями, и это, казалось бы, решает проблему.

На деле же это означает, что какая-то часть полезной энергии будет тратиться усилителем впустую. Просто представьте, что вы приоткроете все краны у себя в доме, и через каждый них постоянно будет течь струйка воды.

Но и полностью открытыми транзисторы тоже никогда не бывают. Если это происходит, то это означает, что выходной сигнал достиг своего максимума, и дальше усилитель начнёт его просто ограничивать (клиппировать).

В итоге получается, что потери полезной энергии в усилителях АВ-класса будут всегда, а КПД – далёк от идеальных 100%. На практике их эффективность обычно лежит в пределах от 40% до 70%. Невысокий КПД – это и есть главный недостаток усилителей АВ-класса.

Общие принципы

Основной принцип работы абсолютно любого усилителя электрических сигналов, вне зависимости от функционального назначения, связан с тем, что при малых изменениях значений электрического тока и/или напряжения на входе усилительной цепи происходит значительное увеличение этих параметров на выходе, что может быть применено на практике.

Основная часть любого усилителя – это устройство под названием транзистор. Он состоит из трёх отдельных полупроводниковых элементов, которые имеют электрические контакты – это коллектор, база, эмиттер. При протекании переменного тока через них, в зависимости от его направления, транзистор усиливает или ослабляет мощность входного сигнала.

История

В мире Hi-Fi класс D имеет самую тяжелую судьбу, и его развитие происходило не благодаря объективным преимуществам, а скорее вопреки сложившемуся мнению. Началось все с того, что классу D буквально сразу повесили обидный, по мнению некоторых аудиофилов, ярлык «цифровой усилитель». И хотя некоторые принципы его работы действительно напоминают работу цифровых схем, по своей сути это абсолютно аналоговое устройство.

Еще одно заблуждение сопровождающее класс D — возраст. Есть мнение, что класс D был разработан совсем недавно и является побочным продуктом современных цифровых технологий. На самом деле, класс D имеет богатую историю, и его первые реализации проектировались еще в эпоху радиоламп. Использовать схемотехнику такого типа для усиления звука (класс D в ламповом исполнении) предложил наш соотечественник Дмитрий Агеев, и произошло это в 1951 году. Примерно в это же время над практической реализацией подобного устройства работал английский ученый Алекс Ривз, а в 1955 году их коллега Роже Шарбонье из Франции, создавая аналогичную схему, впервые применил термин «класс D».

В самом начале, когда велись главным образом теоретические изыскания, судьба класса D казалась безоблачной. Его расчетные характеристики в буквальном смысле достигали предела совершенства. Однако, первая коммерческая реализация 1964 года выявила массу слабых мест, главное из которых — невозможность добиться по-настоящему достойного качества звучания на элементной базе того времени.

Производители не оставляли надежд, и в семидесятых годах попытки вывести усилители класса D на рынок предпринимали такие гиганты Hi-Fi-индустрии, как Infinity и Sony. Обе затеи провалились по той же самой причине, что и в первый раз. Подходящие по быстродействию и классу точности транзисторы стали производиться серийно лишь в восьмидесятых годах, после чего качественная реализация усилителей класса D и стала реальностью. В наше время усилители класса D можно встретить в совершенно различных устройствах: от смартфонов и бытовой аппаратуры до студийного оборудования и High End-систем.

Практика

Почетная обязанность отстаивать честь усилителей класса D в нашем исследовании выпала усилителю Marantz PM-KI RUBY. Этот аппарат имеет образцово-показательную компоновку, демонстрирующую, как нужно создавать современные усилители. Два модуля Hypex NCore 500, работающие в классе D, питаются от специального малошумящего импульсного блока питания. При этом в конструкции усилителя присутствует классический предварительный каскад, выстроенный на дискретных элементах, согласно фирменной технологии HDAM от Marantz, которая использовалась и в традиционных усилителях класса АВ.

Предварительный каскад питается от линейного блока питания, тороидальный трансформатор которого, судя по размерам, имеет многократный запас мощности, чтобы никоим образом не повлиять на динамику и чистоту звучания. Другими словами, в одном корпусе сочетаются два подхода: классический для предварительного усилителя и современный для усилителя мощности.

Все это обильно приправлено типичным для High End-моделей вниманием к мелочам вроде омедненного шасси, улучшенной виброразвязки, сокращения путей сигнала, симметричной топологии плат, строгого отбора деталей по параметрам и т.п

В результате, мы имеем едва ли не самый совершенный с технической точки зрения аппарат с коэффициентом демпфирования 500, искажениями менее 0,005% и энергопотреблением 130 Вт при выходной мощности до 200 Вт на канал при 4 Ом нагрузки. Впрочем, всякую претензию на совершенство в мире звука надлежит проверить практикой.

Как генерируется ШИМ-сигнал

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты. На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий – в обратном случае, как показано на рисунке ниже.

В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.

• https://stereo.ru/to/t808p-kak-rabotaet-usilitel-klassa-d-ili-ne-takoy-kak-vse
• https://www.syl.ru/article/199137/new_usilitel-d-klassa-usilitel-zvuka-dlya-avto
• https://meanders.ru/klassy-usilitelej-signala-i-moshhnosti.shtml

Изменение звуковой частоты

Человек способен слышать звук только в определенных пределах восприятия. Фактически на звуковые сигналы с частотой свыше 20 тысяч Гц люди не могут реагировать. Ультразвуковые волны слышат лишь некоторые виды животных, преимущественно ведущие ночной образ жизни. Что касается низкочастотных, то здесь порог для человека – от 16 Гц. Все, что ниже, называется инфразвуком. Подобные волны образуются при падении метеорита, во время бурь. Но для человеческого уха такие сигналы неслышимы.

Усилитель частоты применяют во многих бытовых приборах и технике. Это телевизоры, передатчики радио, музцентры. Есть и отдельные специальные устройства. Суть их – в достижении определенного частотного диапазона, равного тому, что способен воспринять человеческий мозг. Низкие частоты преобразуются, изменяется мощность колебаний. В некоторых аппаратах есть возможность регулировать тембры, уровень громкости. С помощью встроенного эквалайзера можно даже корректировать амплитуду сигнала.