Предисловие.
Излагаемый ниже материал является продолжением предыдущей статьи с аналогичным названием, в которой анализируются достоинства и недостатки усилителей класса D в сопоставлении с аналоговыми усилителями классов В, АВ и АВС.
В предыдущей статье было показано, что высокий КПД усилителей класса D абсолютно не является приоритетом последних, а всего лишь третьестепенный фактор.
Первостепенным же фактором является высокий коэффициент использования усилителем класса D мощностных характеристик оконечных (выходных) транзисторов, что недоступно для аналоговых усилителей в силу специфики теплоэлектрических и теплофизических процессов, протекаемых непосредственно в кристалле самого транзистора.
Как следствие, это обеспечивает и более надёжную работу этих усилителей в реальных условиях эксплуатации при неизбежных перегрузках как по входу, так и по выходу Это пониженная или реактивная нагрузка, режим КЗ нагрузки, колебания напряжения питания и т. д..
Факт высокого КПД маломощных усилителей класса D в реальных условиях эксплуатации (за исключением размеров радиатора) каких либо существенных преимуществ перед аналоговыми усилителями не имеет, особенно перед усилителями класса АВС.
Напомним, что максимальный теоретический КПД двухтактного усилителя класса В составляет 78% на синусоидальном сигнале, точнее на двух его половинках.
А если использовать «четырехтактный» (четырёхканальный) усилитель, когда синусоида «нарезается» на «четвертинки» (класс ВС), то теоретический максимальный КПД возрастает до 86%.
На реальном же звуковом сигнале с большим пикфактором фактический КПД усилителя класса ВС кратно превышает КПД усилителя класса В.
В этом случае так же возможно уменьшение размеров радиатора, но при этом избежать проблем с радиоизлучением, проблем с индуктивностью фильтра- рекуператора (см. предыдущую статью), да и проблем с электронной элементной в конце концов.
И тем не менее без усилителей класса D не обойтись при конструировании достаточно мощных звукоусилительных систем, особенно для жёстких (скорее даже для варварских) режимов эксплуатации.
Ещё раз хочу подчеркнуть, что задачей настоящей статьи является изложение некоторых, далеко не стандартных вариантов улучшения качественных показателей усилителей класса D, которые и легли в основу в дальнейшем для создания усилителей класса Е. т. е. высокоточного силового ЦАП.
Нелинейные искажения в усилителях класса D.
Как не покажется странным, но в медиапространстве интернета при обилии предложений самых разнообразных моделей усилителей класса D практически отсутствуют сведения о величине нелинейных искажениях сигнала в этих усилителях. Как впрочем, и о значениях динамического диапазона усилителя, уровня его собственных шумов и т. д.
Про интермодуляционные искажения даже и заикаться не стоит.
Измерение реальной величины хотя бы этих трёх параметров общепринятыми средствами оказывается невозможным из за наличия пульсаций тактовой частоты на выходе усилителя.
Типовой измеритель КНИ, например, основанный на принципе частотной режекции выходного синусоидального сигнала будет включать и энергию пульсаций тактовой частоты в общую сумму искажений..
Измеритель КНИ на базе анализатора спектра мог бы дать более точную информацию, если, разумеется, отсекать все гармоники за полосой пропускания усилителя. Но и здесь возникают проблемы с нормативной базой.
Типовым милливольтметром не удастся измерить и уровень собственных шумов этого усилителя, впрочем как и его динамический диапазон.
И здесь возникает резонный вопрос, а что же является источником нелинейных искажений в усилителях класса D.
Ну разумеется, не нелинейность вольтамперных характеристик выходных транзистора.
Поэтому здесь стоит обратиться к принципам формирования импульсов с ШИМ управляющих транзисторами выходного каскада.
Их достаточно много, но в усилителях мощности практически используются только два из них.
Первый из них – это я «классический» вариант формирования ШИМ, когда пропорциональность длительности импульса текущему значению сигнала обеспечивается с помощью пилообразного напряжения и компаратора с петлёй гистерезиса (компаратора с «защёлкой»).
Интернет практически завален публикациями этого варианта формирования последовательности импульсов с ШИМ, хотя в реальности в усилителях с ШИМ этот способ используется крайне редко.
Поэтому задерживать внимание на нём нет смысла, отметим лишь, что нелинейные искажения в данном случае определяются исключительно линейностью «пилы» и чувствительностью компаратора, точнее петлёй его гистерезиса.
Более широкое распространение в усилителях класса D получила так называемая адаптивная (приспосабливающаяся) ШИМ или дельта-модуляция.
Принцип её работы основан на сравнении текущего значения входного сигнала и масштабированного (уменьшенного в масштабе) выходного. См. Рис. 1а
Рис. 1 а
Рис. 1в
Если разность двух сигналов превышает порог чувствительности компаратора, последний подключает соответствующий ключ с целью снижения этой разности.
По сути мы имеем релейную систему дискретного регулирования потока энергии с обратной связью.
Отклонения выходного сигнала от входного,( т. е. по сути величина нелинейных искажений) определяются исключительно чувствительностью компаратора.
Как можно видеть из рис. 1в,уменьшение величины отклонения выходного сигнала от входного повышением чувствительности компаратора ведёт к значительному увеличению тактовой частоты коммутации.
Поэьому отнюдь не случайно, что тактовая частота в последних вариантов маломощных усилителей, поставляемых из из КНР приближается к 1000 кГц.
Как следствие, это более дорогая элементная база, проблемы с индуктивностью фильтра, а главное, наличие сильнейшего радиоизлучения.
По глубокому убеждению автора повышение частоты коммутации при разработке усилителей мощностью в единицы и десятки киловатт – это фактически путь в никуда. а особенно в те далёкие 70е -80е годы, когда элементная база была ещё крайне скудна и не совершенна, но даже на этой базе отечественная промышленность уже выпускала в больших объёмах линейку усилителей и класса D мощностью 0т 0,5 кВт до 5 кВт.(см. предыдущую статью).
Просто в те времена, оказавшись в столь сложной ситуации одному из отечественных невежд пришла в голову крайне нелепая мысль.
А не ограничить ли тактовую частоту коммутации усилителя класса D несколькими десятками килогерц, а вызванный этим повышенный уровень нелинейных искажений устранить самой обычной, го достаточно глубокой отрицательной обратной связью, той самой, которая применяется в аналоговых системах.
Отрицательная обратная связь в усилителях с повышенным уровнем искажений.
Как работает отрицательная обратная связь в аналоговых усилителях вряд ли кому либо нужно объяснять, но здесь автором всё же предпринята такая попытка.
Итак. Пусть на выходе усилителя имеется выходной, например, синусоидальный сигнал и плюс его гармоники (искажения), обусловленные нелинейностью передаточной функции усилителя.
Выходной сигнал масштабируется и складывается в противофазе со входным сигналом, уменьшая уровень сигнала на входе усилителя, но увеличивая в суммарном входном сигнале соотношение искажения/ сигнал.
Полученный микс подвергают усилению (возврат к прежнему масштабу) для обеспечения компенсации в нагрузке исходных нелинейных искажений, причём многие часто забывают , что прошедшие со входа искажения тоже искажаются в процессе усиления. И как же тогда быть с процессом компенсации?
Отсюда следует важный вывод:
Типовая ООС не только снижает коэффициент усиления усилителя. При стандартной ООС отсутствует и пропорциональность между коэффициентом снижения усиления и коэффициентом снижения искажений, особенно в усилителях с повышенным уровнем искажений.
Но это, однако, всего лишь только цветочки.
Для устранения повышенных нелинейных искажений требуется не только глубокая ООС, но и необходимость соблюдение условий Найквиста (критерий Найквиста по ФЧХ и АЧХ) во избежание самовозбуждения системы.
А усилитель класса D может служить примером наибольших отклонений от требований по критерию Найквиста, т. е. глубокая ООС невозможна в принципе да и глубокая ООС при неудачном её построении крайне отрицательно влияет на качество воспроизводимого звукового сигнала.
Возможно, у автора когда нибудь дойдут руки до обоснованного объяснения этого феномена.
А существуют ли вообще варианты введения или исполнения ООС, которые не приводит к уменьшению Кu, но способные уменьшить уровень нелинейных искажений, причём при «плохих» ФЧХ и АЧХ усилителя.
И вот здесь опять, такой же невежда (если он даже учился по старым учебникам по усилительной технике) может дать очень неожиданный ответ.
Так по меньшей мере полагает А. Эйнштейн.
Активная отрицательная обратная связь.
Рассматривая вариант исполнения классической ООС внимание читателя было акцентировано на том факте, что микс из масштабированного выходного сигнала с гармониками и входного подвергался усилению одним и тем же усилителем, уже имеющего исходный повышенный уровень собственных искажений.
А что если в том миксе входным сигналом полностью скомпенсировать масштабированный выходной сигнал сигнал, формируя тем самым в миксе только «чистые» искажения.
Для восстановления исходного масштаба эти искажения ( напомним, что энергия последних достаточно мала) можно усилить отдельным маломощным вспомогательным, но высоколинейным аналоговым усилителем класса АВ и ввести продукт усиления в цепь нагрузки основного мощного усилителя.
Это не такая уж и бредовая идея, как могут предположить или подумать динозавры усилительной техники и она имеет достаточно простые и даже примитивные схемотехнические решения.,
Снабдить, например, усилитель в 300 Вт для улучшения качества его выходного сигнала дополнительным усилителем в 10 Вт особых технических проблем не вызывает.
Пример реализации подобной системы с последовательном включением усилителей приведён на рис2.и вряд ли нуждается в пояснениях.
Рис. 2
Одним и недостатков этой схемы следует считать лишь необходимость применения сильноточных транзисторов в выходном каскаде маломощного вспомогательного усилителя, поскольку через них протекает весь ток нагрузки.
Этого недостатка можно избежать, если использовать параллельное включение основного и вспомогательного усилителей.
Но это возможно только в том случае, если основной усилитель имеет большое выходное сопротивление (напр. выходной каскад на транзисторах с общим эмиттером), а вспомогательный – малое.
На рис. 3 отображена такая схема включения усилителей с вынесенными выходными сопротивлениями последних.
Рис. 3
Не трудно заметить, что коэффициент подавления искажений основного усилителя будет определяться соотношением Ri1/Ri2/
Скептикам-динозаврам такого способа снижения искажений в усилителях мощности советую погуглить в интернете способ увеличения выходной мощности микросхемы TDA2030 или, в крайнем случае, заглянуть на стр. 10 даташита последней
Последняя выступает в качестве маломощного усилителя для дополнительного простейшего усилителя на двух мощных транзисторах с общим эмиттером и работающих (по углу отсечки) в режиме С.
Очевидно, что при таком включении реализуются все три режима усиления А, В,и С. Поэтому разумно обозначить такой режим усиления, как режим АВС.
После столь долгих теоретических рассуждений целесообразно, видимо, перейти к реальным схемам усилителей класса D c дополнительным вспомогательным усилителем, но ещё раз хочется отметить, что именно предложенный вариант снижения нелинейных искажений в усилителях класса D и послужил основой для построения усилителей класса Е и позволил исключить младшие разряды в оконечном каскаде силового ЦАП.
Схемотехника усилителей класса АВD с низкой тактовой частотой.
Одно плечо (исключительно для наглядности изложения материала) самого простого и самого примитивного усилителя класса D отображёно на рис. 4а.
Это обыкновенный транзисторный блокинг – генератор в ждущем режиме.
При подаче и изменении напряжения смещения на базе транзистора появляется возможность управления не только частотой генерируемых импульсов (ЧИМ), но и и шириной последних (ШИМ).
Рис.4
Ну а далее вводим режим релейного управления ключевым транзистором согласно варианту, изображённого на рис. рис. 1а и получаем схему, отображённую на рис. 4б.
Принцип работы примитивен.
Если напряжение на входе этого устройства больше, чем напряжение на нагрузке, первый транзистор открывает транзисторный ключ, который обеспечивает не только «подтягивание» напряжения на нагрузке ко входному но и превышение последнего.
Первый транзистор закрывается, запирая блокинг-генератор, а напряжение на нагрузке поддерживается энергией, запасённой в индуктивности через диод рекуперации..
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что первый транзистор является по сути ещё и эмиттерным повторителем, т. е. здесь реализована и схема включения, отображённая на рис. 3.
Приведённая схема примитивна до безобразия и получила название как ключевой эмиттерный повторитель.
Рядом отображена та же схема для другой полярности источника питания
На рис. 5а просто для примера его применения и предельной простоты схемотехнических решений приведена схема стабилизатора напряжения, выполненная именно на ключевом эмиттерном повторителе.
Рис.5
Для зарядных станций с токами в единицы или десятка ампер весьма полезная вещь. Доработка защиты от КЗ и ограничение зарядного тока отдаётся на усмотрение читателям.
Но вернёмся к усилителям.
На рмс 5б приведена уже схема ключевого усилителя мощности, выполненная на двух ключевых эмиттерных повторителях.
Именно такая схема использована в электромегафоне ЭМ – 12. (завод «Волна» г. Москва) Её можно даже отыскать на просторах интернета. Там она чуть, чуть посложнее – вольтодобавка, формирователь сигнала сирены и т. д.
Хотелось бы обратить внимание читателей на следующее обстоятельство.
Если изъять из этой схемы индуктивность блокинг-генератора, перемкнув точки её подключения, то получаем классический вариант усилителя класса АВ.
В исходном варианте же варианте имеем в наличие как режима АВ, так и режима D.
Именно это обстоятельство и обусловило назвать такой режим усиления, как усилитель (или режим) класса АВD, который обеспечивает достаточно низкую частоту коммутации при достаточно высоких качественных показателях усилительного тракта, не уступающих режиму АВ, в том числе и по демпинг-фвктору.
В классе АВD работает и полукиловатный усилительный модуль УМК-0,5, производимый киевским заводом «Промсвязь», (или КГЗРП г. Кузнецк) который выполнен по мостовой схеме с реализацией структуры усилителя, отображённой на рис. 2.
Схема последнего ввиду её громоздкости здесь не приводится, но её можно найти с указанием номиналов всех элементов в упомянутой ранее книге в первой части статьи. .
Могу лишь указать что параметры блока УМК-0,5 значительно превышают требования союзного ГОСТа на усилители ПВ первого класса качества, особенно по уровню нелинейных искажений, измеренных даже типовым измерителем КНИ..
Указанные обстоятельства дают основание полагать, что это направление является весьма перспективным в разработке усилительных систем класса D большой мощности.
Сторонникам другого направления хочу напомнить о цене мощного низкочастотного и высокочастотного транзистороа с равноценными параметрами, за исключением частоты.
Кроме того не следует забывать и о возрастании динамического напряжения насыщения транзисторов при увеличении частоты коммутации, что увеличивает тепловую нагрузку на транзистор.
Именно борьба за снижение частоты коммутации в ключевых усилителях и, как следствие, снижение радиоизлучения обусловило переход к усилителям класса Е.
Следующая статья и будет посвящена изложению принципов работы силового ЦАП, как усилителя низкой частоты, но у автора есть одна просьба к читателям.
Обращение к читателю
Итак, автор написал статью,( которую, надеюсь, вы дочитали). затратив при этом какой то свой труд. .
Опережая скептиков, сразу хочу сообщить, что на довольствие у торговцев дзена никогда не состоял и состоять никогда не буду.
Исходная задача автора была противопоставить массовому примитивному радиотехническому контенту, захлестнувшего дзен, ради подачки в 30 сребреников хоть какую нибудь разумную просветительскую информацию.
Именно по этой причине канал задумывался исключительно как просветительский, ибо дзен это наиболее удобная, главное бесплатная платформа для общения с массовой аудиторией, чем не могу похвастать бумажные издания.
Итак вы прочитали статью. Так оцените прочитанный материал и это будет благодарностью автору за его проделанную работу.
Выскажите своё мнение.
. Это что – примитивное старьё, переписанное из старых журналов, старые прописные, всем известные истины и вы всё это уже где то читали (тогда укажите, где именно) много лет тому назад, или это всё же новый для вас материал и от него для вас есть хоть какая нибудь просветительская польза.
Надеюсь, что вы согласны с тем, что для автора всегда должен существовать стимул к продолжению просветительской деятельности, а это ваши комментарии, лайки и дизлайки.
Последние для автора так же весьма существенны.
За подписку не агитирую, это вам решать.
Ну а в завершении статьи выражение концентрированной позиции автора.
Некоторые невежды иногда двигают технический прогресс, другие же просто стараются его задвинуть..
Автор Кибакин Владислав Михайлович.