Новости

Статьи

Обзоры:

DIY электроника (Сделай сам!)

SSD и HDD

 Смартфоны, планшеты и ноутбуки

Аудио

Электронные книги

Фото- и видеокамеры

Мини-компьютеры

Внешние аккумуляторы

Электротранспорт

Обзоры РУНЕТа

Достоинства и недостатки усилителей класса D по сравнению с усилителями класса AB

    Оглавление

        Достоинства усилителей класса D:
   1. Вступление: принцип работы усилителей класса D и их основное достоинство - большой КПД

   2. Отсутствие искажений типа "ступенька"

      Недостатки усилителей класса D:
   3. Зависимость АЧХ от сопротивления нагрузки

   4. Снижение коэффициента демпфирования, возможность излучения радиопомех, источники нелинейности, возможность проникновения помех от источника питания

   5. Итоги и выводы

Вступление: принцип работы усилителей класса D и их основное достоинство - большой КПД

Идея создания усилителей класса D родилась в СССР в далёком 1951 году (Википедия).

Но это оказался как раз тот случай, когда путь от идеи до крупносерийного производства оказался очень долгим, в несколько десятилетий.

Причиной тому было отсутствие подходящей для этого элементной базы.

Фактически, такие усилители оказались оправдывающими заложенную в них идею только в том случае, если в выходных каскадах используются быстродействующие MOSFET-транзисторы с малым сопротивлением канала в открытом состоянии; вот до их создания и прошли десятилетия.

(упрощенная блок-схема усилителя класса D с выходом SE (Single Ended), изображение из Википедии, автор - Yves-Laurent)

В таком режиме (класса D) максимально реализуется главное заложенное в идее таких усилителей преимущество: высокий КПД.

Выходные транзисторы в усилителях класса D работают в импульсном режиме и могут находиться в двух состояниях:

- транзистор закрыт, на нём высокое напряжение, но нулевой ток;

- транзистор открыт, на нём малое напряжение, но высокий ток.

В обоих состояниях рассеиваемая транзистором мощность оказывается малой, в отличие от усилителей класса AB, где типичной является работа в режиме "большой ток и большое напряжение" на транзисторах выходного каскада.

Формирование собственно аналогового сигнала осуществляется с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), а затем полученное напряжение сглаживается фильтром и приобретает пригодный для воспроизведения вид (фильтр требуется не всегда).

На следующей осциллограмме приведены напряжение на выходе усилителя Д-класса (чип TDA3255)до фильтра (ШИМ) и после фильтра. Режим работы усилителя - SE (Single Ended, т.е. не мостовой):

(изображение из обзора усилителя D-класса конфигурации 2.1 на микросхеме TPA3255)

Частота ШИМ в большинстве распространённых микросхем усилителей D-класса задаётся внутренним генератором и составляет 400 кГц - 1.2 МГц.

В усилителях класса D (класса Д в русском написании) КПД может достигать 90% и выше.

Основной источник потерь - "остаточное" напряжение на выходных транзисторах в открытом состоянии: оно - небольшое, но оно всё-таки существует и в сочетании с высоким током может рассеивать до 10% мощности, забираемой от источника питания (типовая величина потерь - около 5%).

Высокому КПД сопутствуют и другие достоинства усилителей класса D, вытекающие из факта высокого КПД.

Во-первых, такому усилителю требуется гораздо меньший теплоотвод, чем для усилителей класса AB. При выходной мощности до 10 Ватт, как правило, теплоотвод вообще не требуется (иногда - до 15 Ватт).

Во-вторых, уменьшаются габариты и масса усилителей.

В-третьих, при использовании в устройствах с автономным питанием, повышается длительность автономной работы.

Отсутствие искажений типа "ступенька"

Кроме высокого КПД, у усилителей класса D полностью отсутствует такой недостаток усилителей класса AB, как искажения типа "ступенька".

В усилителях класса "B" такие искажения образуются за счёт того, что при переходе сигнала через ноль в выходном каскаде верхнее плечо включается позже, чем выключается нижнее. В результате в течение некоторого времени сигнал "зависает" на нуле:

В усилителях класса "AB" такие искажения сигнала снижаются за счет схемотехнического "сближения" уровней верхнего и нижнего плеча так, чтобы они слегка пересекались.

В современных микросхемах усилителей мощности низкой частоты класса "AB" этот эффект можно заметить только на высоких частотах и в весьма специфическом виде: там может "звенеть" одна из полуволн сигнала из-за несимметричности транзисторов в выходном каскаде.

Так выглядит этот эффект в микросхеме TDA2050 на частоте 200 кГц (!):

(изображение из обзора усилителя на TDA2050)

Частота "звона" выходит далеко за пределы слышимости человеческого уха; но меломаны утверждают, что всё равно этот эффект звук портит, и истинно качественный звук может быть только на ламповых усилителях.

В усилителях класса D этого эффекта не может быть в принципе, так как транзисторы выходного каскада работают в ключевом режиме и момент перехода через ноль у них крайне короткий.

Недостатки усилителей D-класса

Итак, с "плюсами" усилителей класса D разобрались.

Пора заняться и минусами!

1. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителей класса D зависит от сопротивления нагрузки и её характера (активная или активная с индуктивной составляющей).

Причина этого - элементарна. Если Вы ещё раз посмотрите на схему выходного фильтра усилителя (в начале статьи), то увидите, что он представляет собой, по существу, колебательный контур.

При подключении низкоомной активной (т.е. резистивной) нагрузки резонанс подавляется и не заметен. Но при повышении сопротивления нагрузки и/или добавлении индуктивной составляющей он становится явственным.

Для сравнения рассмотрим АЧХ усилителя класса D на микросхеме TDA7498 (обзор) с резистивной нагрузкой 8 Ом; и затем - совсем без нагрузки.

АЧХ снималась с помощью подачи на вход усилителя сигнала с линейно-нарастающей частотой; а затем фиксировалась осциллограмма, снятая по максимумам сигнала. Она и представляет собой АЧХ усилителя (обведена на изображении красной рамкой, после неё следует повторение цикла сигнала с нарастающей частотой).

Итак, АЧХ усилителя класса D с нагрузкой 8 Ом в диапазоне 10 Гц - 20 кГц:

Теперь - АЧХ того же усилителя без нагрузки в том же диапазоне (10 Гц - 20 кГц):

Без нагрузки АЧХ начинает резко задираться вверх по мере приближения к собственному резонансу LC-фильтра на выходе усилителя.

2. Коэффициент демпфирования усилителей D-класса ниже, чем у усилителей класса AB.

Коэффициент демпфирования (Damping factor, Демпинг-фактор) - это отношение сопротивления нагрузки (акустической системы) к выходному сопротивлению усилителя (к которому плюсуется также и сопротивление кабеля от усилителя к колонкам).

Чем коэффициент демпфирования выше, тем лучше подавляются паразитные резонансы в акустической системе; и тем более качественно можно воспроизвести звук.

В усилителях класса AB за счёт отрицательной обратной связи (идущей прямо с выхода) их выходное сопротивление усилителей удаётся сделать сколь угодно близким к нулю во всём рабочем диапазоне частот.

В усилителях класса D на выходах присутствуют фильтры, не участвующие в цепи обратной связи, и там коэффициент демпфирования не может быть столь большим, как в усилителях класса AB.

Фильтры имеют как омическое сопротивление, так и индуктивное сопротивление, возрастающее с ростом частоты.

Омическое сопротивление фильтра - очень небольшое, менее 0.1 Ом. Но при неудачной конструкции усилителя оно может увеличиваться за счет нагрева (~0.4% на каждый градус). Нагрев возникает как за счёт передачи тепла от других элементов, так и за счёт "саморазогрева" при протекании тока в нагрузку.

Индуктивное сопротивление (импеданс) фильтров увеличивается прямо пропорционально частоте по формуле X_L = 2∏fL, где f-частота, L - индуктивность, X_L - импеданс.

Например, для микросхемы TDA7498 согласно datasheet (PDF) рекомендуется устанавливать в каждое плечо мостового выхода индуктивность 22 мкГн (микрогенри); итого общая индуктивность - 44 мкГн.

Импеданс составит:

1 кГц - 0.28 Ом,

5 кГц - 1.38 Ом,

10 кГц - 2.76 Ом,

20 кГц - 5.53 Ом.

Для частот свыше 1 кГц импедансом фильтров уже нельзя пренебречь.

Существуют и усилители D-класса без фильтров. В этом случае в качестве фильтра выступает звуковая катушка динамика.

Такое построение усилителей D-класса допускается, если мощность - не велика (обычно до 5 Ватт), а длина проводов до динамиков (колонок) - небольшая; и создаваемые радиопомехи в таком случае будут слабыми.

Теоретически можно было бы записать повышенный уровень радиопомех от усилителей как отдельный недостаток, но практически радиопомехи возникают только в случаях грубых ошибок при проектировании усилителей.

Например, это возможно в тех случаях, когда мощный усилитель разработан в исполнении без фильтров.

В таком случае кабель, идущий от усилителя к колонкам превращается в добротную излучающую антенну; а благодаря крутым фронтам импульсов излучается не только основная частота ШИМ, но и многие десятки гармоник.
 

3. Линейность усилителей D-класса может оказаться хуже, чем у усилителей класса AB.

Это связано с тем, что внутри усилителя имеется генератор пилообразного напряжения, с которым сравнивается входное напряжение для формирования выходных импульсов ШИМ. Если сформированное пилообразное напряжение будет иметь нелинейности, то они напрямую передадутся на вход.

Ещё один возможный источник нелинейности - выходные LC-фильтры (при их наличии). Нелинейными могут оказаться как индуктивности, так и ёмкости; но индуктивностей это больше касается (зависит от качества использованного феррита).
 

4. Помехи от источника питания могут передаваться на выход

Обычно микросхемы усилителей класса D имеют системы подавления помех от источника питания; но из-за физических принципов работы усилителей D-класса такое подавление не может быть полным.

Это связано с тем, что выходные ключевые транзисторы в течение времени нахождения в открытом состоянии фактически замыкают собой выход усилителя на источник питания. В течение этого времени помеха от источника питания сразу попадает на выход. Мера борьбы - очевидная: улучшение фильтрации напряжения питания.

Итоги и выводы

Усилители класса D сделали небольшую революцию в усилительной технике, но только с точки зрения КПД и его последствий, т.е. возможности сокращения габаритов звуковоспроизводящих устройств и увеличении длительности их автономной работы (при необходимости таковой).

С точки зрения качества воспроизведения звука никакой революции не произошло. Оно если и изменилось, то совсем немного и притом не в лучшую сторону.

Некоторый "плюс" усилителей класса Д в отношении качества звука (в виде полной ликвидации искажений типа "ступенька") вряд ли будет заметен, если сравнивать с современными высококачественными микросхемами усилителей мощности класса AB.

Но, в тоже время и негативные эффекты, связанные с повышением выходного импеданса на высоких частотах, вряд ли будут ощутимы при работе на фиксированную нагрузку в виде достаточно качественных акустических систем.

Окончательный итог: улучшение КПД (с перечисленными его последствиями) можно считать главным и единственным изменением в работе усилителей класса D по сравнению с "добрыми старыми" усилителями класса AB.

Дополнительные материалы:

- Обзоры одноплатных усилителей класса D

- Обзоры одноплатных усилителей класса AB

Вступайте в группу SmartPuls.Ru  Контакте! Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.

     Ваш Доктор.
 

      Порекомендуйте эту страницу друзьям и одноклассникам                      

В комментариях запрещены, как обычно, флуд, флейм и оффтопик.
Также запрещено нарушать общепринятые нормы и правила поведения, в том числе размещать экстремистские призывы, оскорбления, клевету, нецензурные выражения, пропагандировать или одобрять противозаконные действия. Соблюдение законов - в Ваших же интересах!

  Комментарии вКонтакте: