Projektowanie wzmacniaczy audio klasy D

Projektowanie wzmacniaczy audio klasy D
Pobierz PDF Download icon
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.
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
Artykuł ukazał się w
Listopad 2009
DO POBRANIA
Pobierz PDF Download icon
Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik styczeń 2020

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio styczeń 2020

Świat Radio

Magazyn użytkowników eteru

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje styczeń 2020

APA - Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna styczeń 2020

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Praktyczny Kurs Elektroniki 2018

Praktyczny Kurs Elektroniki

24 pasjonujące projekty elektroniczne

Elektronika dla Wszystkich styczeń 2020

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów