Projektowanie wzmacniaczy audio klasy D

64 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 NOTATNIK KONSTRUKTORANOTATNIK KONSTRUKTORA na drodze sygnału pomiędzy głośnikiem a  szyną zasilającą w  największym stopniu determinują sprawność. Mają na nią wpływ rezystancja dren-źródło tranzystorów, jak również parametry wyjściowego filtru, zgod- nie z równaniem 3. Projektant powinien rozważyć użycie takich tranzystorów MOSFET, które łączą w sobie zarówno niską pojemność CG jak i ni- ską wartość RDS , co zapewnia dużą sprawność i pozwala na osiągnięcie granicznych para- metrów podanych w specyfikacji. Warto za- uważyć, że rozwiązania układów scalonych dostępne na rynku są ukierunkowane na współpracę z określonymi typami tranzysto- rów MOSFET, po to, aby uzyskać optymalne charakterystyki czasu martwego. W stosunku do zintegrowanych układów wzmacniaczy typu SoC, gdzie w jednym układzie zawarte są wszystkie obwody wzmacniacza łącznie ze stopniem mocy, wersje z  zewnętrzny- mi MOSFET-ami pozwalają konstruktorom wybierać spośród ogromnego asortymentu podzespołów dostępnych na rynku. Produ- cenci półprzewodników, tacy jak na przykład IRF, mają w  ofertach tranzystory specjalnie przystosowane do pracy w stopniach mocy wzmacniaczy klasy D. Na przykład Direct- FET IRF6645 ma RDS =53 mV, a QG =8,4 nC. Oferta gotowych układów scalonych do wzmacniaczy klasy D jest również spora, jed- nak jak na razie zniekształcenia THD podawa- ne w kartach katalogowych w odniesieniu do mocy wyjściowej trudno porównywać z stan- dardowymi układami klasy AB, ponieważ nominalna moc wyjściowa jest tu określana przy 10% THD. Dodatkowo, niektóre układy wzmacniaczy mają nierówną charakterystykę częstotliwościową. Jest to skutek starań pro- ducentów o uzyskanie możliwie największej sprawności, a  w  przenośnych urządzeniach multimedialnych, gdzie wykorzystywane są niewielkie głośniki, nie ma to znaczenia. Projektowanie wzmacniaczy audio klasy D Projektowanie wzmacniaczy audio klasy D Rosnąca popularność przenośnych urządzeń multimedialnych oraz tendencja do miniaturyzacji urządzeń spowodowały zmianę technologiczną: używane do niedawna wzmacniacze mocy audio pracujące w  klasie AB zostały zastąpione przez rozwiązania o  wysokiej sprawności i  zajmujące niewiele miejsca na płytce drukowanej. Przykładem mogą być wzmacniacze klasy D, osiągające znakomitą sprawność, wynoszącą powyżej 90%. W  niniejszym artykule przyjrzymy się zagadnieniom konstrukcyjnym oraz dostępnym rozwiązaniom układowym bazującym na nowych architekturach. Pozwalają one traktować wzmacniacze klasy D jako opłacalną alternatywę dla układów klasy AB. ale audiofile ? z uwagi na brak pasożytniczych rezonansów ? preferują raczej kondensatory po- lipropylenowe. Zasadniczym wyzwaniem dla wzmacnia- czy klasy D jest zapewnienie bezpiecznej pra- cy dla stopnia mocy oraz niskich zniekształceń THD. Wymagania w  zakresie zapewnienia bezpieczeństwa stają się istotne przy wyko- rzystywaniu alternatywnych rozwiązań stop- nia przełączającego z wykorzystaniem układu półmostkowego lub pełnomostkowego. Górne i  dolne tranzystory w  takim układzie muszą być przełączane dostatecznie szybko, aby moż- liwe było zachowanie minimalnego czasu mar- twego pomiędzy przełączeniami, co zapewnia brak przepływu niszczącego tranzystory prądu skrośnego, jaki pojawia się przy otwartym tran- zystorze górnym i dolnym w układzie mostka. Z kolei zwiększenie czasu martwego pomiędzy przełączeniami jest niekorzystne bo zwiększa THD. Idealny kompromis pomiędzy bezpie- czeństwem pracy stopnia mocy, a konieczno- ścią minimalizacji czasu martwego, musi być zatem dokładnie wyważony. Skończony czas przełączania wyjścio- wych tranzystorów MOSFET jest determi- nowany głównie przez pojemność bram- ka-źródło oraz w mniejszym stopniu, przez pojemność dren-źródło, natomiast elementy Wprawdzie podstawowe bloki funkcjo- nalne składające się na wzmacniacz pracu- jący w klasie D są bardzo proste, to jednak implementacja układu w ramach urządzenia lub systemu jest wyzwaniem konstrukcyj- nym w kilku kluczowych obszarach. Popraw- ny projekt układu oraz właściwe rozmiesz- czenie komponentów na płytce drukowanej jest kluczowe dla osiągnięcia minimalnego poziomu zakłóceń oraz zadowalającego po- ziomu sprawności energetycznej. Wartość wzmocnienia układu wzmacnia- cza w  klasie D ogranicza napięcie wejściowe maksymalnie do sqrt(PO * RL )/AV , gdzie AV jest wartością wzmocnienia. Większa wartość sy- gnału wejściowego skutkuje pojawieniem się zniekształceń związanych z obcinaniem wierz- chołków, które mogą uszkodzić stopień mocy na skutek pojawienia się przewodzenia skrośnego i ścieżki niskiej impedancji do szyny zasilającej. Aby wyeliminować to zjawisko producenci do- dają dodatkowy układ (tzw. slicer) zapewniają- cy automatyczną regulację i obniżenie wzmoc- nienia dla dużych sygnałów wejściowych. Po- winno się też pamiętać, że w roli wejściowego kondensatora szeregowego często wykorzystuje się element z dieelektrykiem ceramicznym X7R lub Y5V, co zapewnia niewielkie rozmiary, niską wartość ESR, małe szumy i długi czas działania, 65ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 11/2009 Projektowanie wzmacniaczy audio klasy D Wartość THD może zostać w poprawio- na przez niepełne obciążenie wzmacniacza i pracę z ułamkiem mocy wyjściowej, co li- kwiduje szereg wad układów pracujących w klasie D. Wzmacniacze klasy D budowane są w dwóch głównych topologiach bazujących na standardowej modulacji szerokości im- pulsu PWM lub delta-sigma PDM. Ta druga technika sterowania jest preferowana przez Analog Devices, co jest wynikiem tego, że sterowanie PWM powoduje powstawa- nie ostrych zboczy w  sygnale wyjściowym i  emisję wielu harmonicznych w  paśmie AM. Takich zjawisk nie ma przy modulacji gęstości impulsów PDM. Układ Analog De- vices ADAU1590 (z zegarem 6,144 MHz) jest przykładem takiej konstrukcji, która wyko- rzystuje modulator sigma-delta piątego rzę- du. Układy z modulacją PDM zawsze bazują na zwielokrotnionej częstotliwości sygnału zegarowego, natomiast PWM działają na czę- stotliwości podstawowej. Producenci, tacy jak na przykład TI, oferują także cyfrowe wersje wzmacniaczy, których przykładem jest PurePath, zawiera- jące cyfrowe wejścia i przetwarzające sygnał w postaci cyfrowej aż do wyjściowego filtru dolnoprzepustowego. Obecnie projekty układów o  wysokiej jakości wymagają budowy pętli sprzężenia zwrotnego z  wyjściowego filtru po to, aby zredukować THD. W  czasie projektowania należy upewnić się za pomocą analizy roz- kładu biegunów i  zer w  transmitancji lub poprzez symulacje, czy działanie pętli sprzę- żenia zwrotnego jest stabilne. Częstotliwość sygnału zegarowego o kształcie trójkątnym powinna zostać usta- lona możliwie jak najwyżej, aby zmniejszyć rozmiary dławika wyjściowego w filtrze dol- noprzepustowym. Jest to istotne zwłaszcza w  przypadku, gdy układ wzmacniacza nie zawiera filtru wyjściowego i  wykorzystuje do tego celu impedancję blisko umieszczo- nego głośnika (do 10  cm). Niemniej duże prądy płynące w  tym przypadku przez ob- wody wyjściowe i związana z tym koniecz- ność zapewnienia dużej mocy sterowania dla tranzystorów związanej z przełączaniem pojemności bramka-źródło, co może obniżyć sprawność. W  większości aplikacji związanych ze sprzętem przenośnym lepsze właściwości mają układy z  pełnomostkowym stopniem wyjściowym zamiast półmostkowym, gdyż lepiej wykorzystują pojedyncze napięcie za- silające. Wadą jest dwukrotnie wyższa rezy- stancja RDS , na drodze sygnału, co wymusza staranniejszy dobór tranzystorów mocy MOS. Dlatego jeśli zostanie zastosowane ob- ciążenie 8 V, a RDS 1+RDS 2=1 V, sprawność spadnie do około 90%. Układ ADAU1590 wykorzystuje P-kanałowe tranzystory na górnej stronie mostka, zamiast typowego układu opartego wyłącznie na elementach N-kanałowych na górze i dole. Ułatwia to sterowanie górnymi tranzystorami i konstrukcję drivera gdyż na- pięcie na bramce górnego MOSFET-a zawie- ra się zawsze w przedziale VGS (th)+VDD . Dol- ne i górne tranzystory są tego samego typu, mają identyczne charakterystyki i sparowa- ną rezystancję RDS , co zapewnia symetryczne przełączanie. Elementy N-kanałowe w  górnej części układu mostkowego wymagają napięcia na bramce przekraczającego wartość na- pięcia zasilającego, gdyż źródło tranzysto- ra jest połączone z  zaciskiem wyjściowym VGS (on)=VGS (th)+VOUT . Zapewnienie po- prawnego sterowania wymaga wbudowa- nia układu przesuwnika napięcia, oddziel- nej szyny zasilania lub układu bootstrapu. W  przypadku dolnej strony mostka tranzy- story N-kanałowe nie sprawiają kłopotów, gdyż napięcie sterujące na bramce zawiera się w zakresie napięcia zasilania. Filtr wyjściowy Filtry wyjściowe są zwykle wykonywane jako Butterwortha drugiego rzędu. Większe rzędy mogą być także implementowane, nie- mniej ich przydatność pojawia się w  ukła- dach korzystających z  sygnału zegarowego o niskiej częstotliwości, wymagającego ostrej kolanowej charakterystyki odcięcia wyż- szych harmonicznych takich, które mogą być źródłem przykrych szumów słyszalnych w paśmie akustycznym. Dostępne techniki kształtowania szumów w  sygnale wyjściowym w  połączeniu z  sy- gnałem zegarowym o  wysokiej częstotliwo- ści i  kształcie trójkątnym zboczy pozwalają w wielu aplikacjach zrezygnować z filtru wyj- ściowego, co jest stosowane w wielu komer- cyjnych i przemysłowych systemach. Bezfil- trowe wzmacniacze klasy D wymagają reali- zacji krótkich połączeń pomiędzy wzmacnia- czem a głośnikiem i są zoptymalizowane do sterowania indukcyjnością głośnika. Transformata Laplace?a dla filtru Butter- wortha drugiego rzędu jest równa: Dla układu ze stopniem pełnomostko- wym: Klasa D będzie miała 3-decybelową war- tość częstotliwości: Sprawność Suma rezystancji RDS dla obu tranzysto- rów plus ESR dla wyjściowej indukcyjności filtra drugiego rzędu Butterwortha określa sprawność wzmacniacza klasy D: Podsumowanie Zintegrowane rozwiązania wzmacnia- czy mocy audio klasy D są jeszcze w  po- czątkowym stadium rozwoju rynkowego. Projektanci, którzy za ich pomocą chcieli- by uzyskać parametry reprodukcji sygnału sięgającego standardów audiofilskich, mogą być zmuszeni do korzystania z  istnieją- cych rozwiązań pracujących w  kasie AB lub korzystania z rozwiązań bazujących na elementach dyskretnych. Z kolei konstruk- torzy, którzy szukają rozwiązań charakte- ryzujących się wysoką sprawnością takich, które zasilane są z baterii lub muszą zostać umieszczone w  niewielkiej obudowie, jak na przykład płaskie telewizory, mogą wśród rozwiązań zintegrowanych znaleźć prefero- wane układy wzmacniaczy klasy D dla za- kresu mocy wyjściowych poniżej 10 W. Rozwiązania zawierające głośnik umieszczony w  bezpośrednim sąsiedztwie wzmacniacza są w stanie poprawić spraw- ność poprzez eliminacje filtru wyjściowego i dobre dopasowanie do indywidualnej cha- rakterystyki głośnika. Zaawansowane tech- niki kształtowania szumów, korzystające ze sprzężenia zwrotnego, są w stanie poprawić wartość THD nawet do wartości zbliżonych do tego, co oferują dzisiaj układy klasy AB. Więcej informacji na temat nowości elektronicznych do zastosowań w  multi- mediach można znaleźć w  magazynach Technology First ?Inside the mindset of multimedia? i Select publikowanych przez Farnell. Magazyny dostępne są na stronie internetowej www.farnell.com/pl w  sekcji ?Publikacje?. John Siviter Farnell Technical Support Team Rys. 1. Sprawność w funkcji mocy wyjściowej typowego SoC klasy D