Предисловие
Настоящая статья является продолжением цикла статей по тематике высокоэффективных ключевых усилителей мощности с широтно-импульсной (классD) и импульсно-кодовой (класс Е) модуляцией. .
В первой статье доказывается, что высокий КПД усилителей класса D является отнюдь не доминирующим, а всего лишь третьестепенным фактором.
Доминирующим же фактором является высокий коэффициент использования мощностных характеристик выходных транзисторов, поскольку при импульсном режиме работы удаётся избежать (при максимальных режимах) явления вторичного пробоя в транзисторах в том числе и такого явления, как «прокол базы» в биполярниках.
Опасность возникновения вторичного пробоя резко ограничивает область безопасной работы транзисторов в аналоговых усилителях, особенно при комплексном сопротивлении нагрузки.
Во второй статье предложен новый способ подавления нелинейных искажений в усилителях путём использования так называемой активной отрицательной обратной связи, которая не только не снижает коэффициент усиления усилителя, но более эффективна, чем типовая ООС .
Это позволило существенно уменьшить нелинейные искажения в усилителях класса D с низкой тактовой частотой и создать предпосылки для создания усилителей класса Е, которые сохраняют преимущества усилителей класса D и не имеют недостатков последних.
Приступая к изложению особенностей нового режима усиления, а именно усилителей с импульсно-кодовой модуляцией (класс Е) автор вынужден был определиться и со стилем изложения материала.
С одной стороны он должен быть достаточно строгим, дабы избежать мелочной критики в основном, хейтеров и профессионалов разговорного жанра.
С другой стороны желательно, чтобы материал был доступен для понимания более широкому кругу читателей.
В этом случае порой неизбежны некоторые «вольности» и даже, иногда, достаточно упрощенные рассуждения по физике протекающих процессов смирившись с резкими, неизбежными комментариями некоторых технических «специалистов».
Варианты структуры усилителей класса Е.
При изложении вариантов возможного построения усилителей класса Е возможны два направления, определяемые выбором исходного входного сигнала.
В первом случае входным сигналом для усилителя является типовой знакопеременный аналоговый сигнал, напр. звуковой.
В этом случае усилитель должен содержать, разумеется, АЦП и блок силового ЦАП.
Во втором случае входным сигналом для цифрового усилителя мощности может служить уже готовая кодовая последовательность импульсов, напр. с линии связи и являющейся уже ранее оцифрованным звуковым сигналом.
По мнению автора изложение особенностей работы усилителей класса Е следует начинать именно с первого варианта, более наглядного и более доступного для понимания специфики его работы.
Разумеется, что он должен начаться с основ создания АЦП, применительно к поставленной задаче – создания силового ЦАП.
Интернет изобилует материалами о принципах построения АЦП, но авторы этих материалов стремятся больше показать свою значимость в данной сфере, чем сущность работы АЦП и его особенности.
По этой причине автор посчитал целесообразным дать некоторые сведения по АЦП, наиболее пригодных для цифровых усилителей мощности, поскольку они будут способствовать лучшему пониманию сущности работы силового ЦАП.
Структуры АЦП с параллельным кодом.
Приступая к изложению материалов данного раздела автор предполагает, что читатель располагает начальными знаниями в области цифровой техники и знает, как устроены и работают логические элементы типа «И», «ИЛИ» «НЕ», «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» и т. д., а также устройство Т- триггеров, Д-триггеров и счётчиков на их основе.
Поэтому для наглядности изложения с принципами работы простейших АЦП остановимся сначала на четырёх разрядном реверсивном счётчике типа КР1533ИЕ7 (но можно взять и другие с большим числом разрядов, напо. 1N74HC163A. SN54HC193. и т. д.)
Он отображён на рис. 1, справа где отмечены и назначение его выводов.
Полагаю, что они в комментариях не нуждаются.
На этом же рисунке слева приведена и простейшая логическая схема управления последним, позволяющая менять направление счёта импульсов с тактового генератора ГТИ путём смены уровня на шине А .
Частота последнего может в принципе много превышать частоту дискретизации, ибо в данном случае (именно для усилителя) важна скорость счёта или скорость заполнения счётчика.
Вопросы теории, связанных с теоремой отсчётов оставим на потом.
Не трудно видеть, что смена уровня сигнала на шине А приведёт либо к заполнению счётчика, либо к его обнулению.
Ну а далее всё очень просто. Один компаратор, один реверсивный счётчик со встроенным генератором тактовых импульсов (есть и такие), несколько резисторов (резисторная матрица) и получаем простейший четырёхразрядный АЦП.
Его структурная схема отображена на рис. 2.
Рис 2
Как следует из приведённого рисунка на резисторе Rin формируется напряжение, определяемое резисторами матрицы и значениями уровней (0/1) на выходе реверсивного счётчика.
Таким образом на Rin устанавливается напряжение, близкое к Uвх, а на выходе этого АЦП формируется код, соответствующий уровню входного сигнала.
Здесь резисторная матрица является фактически резисторным ЦАП.
Не трудно видеть, что число уровней квантования для такого АЦП не превышает (8+4+2+1) 15, а сам АЦП определяется, соответственно, как четырёхразрядный.
Процесс формирования сигнала на резисторе Rin при подаче на его вход положительной полуволны сигнала иллюстрируется на рис. 3 слева.
В том случае, если на вход такого АЦП поступает знакопеременный сигнал, например, звуковой проблема решается добавлением к сигналу постоянной составляющей, что отражено на рис. 3 справа.
Здесь стоит обратить внимание на то обстоятельство, что для такого знакопеременного сигнала с добавленной постоянной составляющей число уровней квантования на полуволну сигнала становиться в два раза меньше, что не есть хорошо.
Но это не главное, разрядов можно и добавить.
Дело в другом. Если в маломощных цепях «постоянка» на выходе резисторного ЦАПа легко устраняется разделительным конденсатором, то в случае использования силового ЦАП наличие постоянной составляющей на его выходе просто недопустимо.
Стало быть необходим ЦАП, способный формировать сразу двухполярный сигнал на его выходе без какой либо «постоянки»
И это одна из основных проблем при построении усилителя класса Е с импульсно-кодовой модуляцией.
Ну, а пока для более наглядной иллюстрации особенностей работы изображённого выше АЦП можно отметить, что при пятивольтовом напряжении питания счётчика и указанных значениях номиналов резисторной матрицы шаг или уровень квантования будет составлять 50 мВ, а входной сигнал такого АЦП не должен превышать 750 мВ.
Разумеется, что столь низкое число уровней квантования для звукового сигнала безусловно очень мало.
Приемлемое число уровней квантования для качественного звука должно начинаться от 2048 (на полуволну сигнала) и выше, что обеспечивает до 72 дБ динамического диапазона звукового сигнала и около 80 дБ «взвешенного» шума.
По этой причине в звуковых АЦП используют не менее четырёх, последовательно включённых реверсивных счётчика (двенадцати разрядный АЦП) и, соответственно 12 «разрядную» резисторную матрицу (ЦАП)
Вариант исполнения АЦП с 4 счётчиками и с 12 разрядном ЦАП можно отнести к категории так называемого «классического» варианта построения АЦП, имеющего достаточно высокую точность отображения входного сигнала..
Но такой АЦП имеет две неприятные вещи.
Он немного тормозной (последовательное заполнение ячеек счётчика), хотя для звуковых сигналов его быстродействия вполне хватает.
Вторая неприятность заключается в том, что при высокой чувствительности компаратора значение кода постоянно флюктуирует (режим самовозбуждения релейной системы) даже при постоянном уровне входного сигнал. Это так называемый шум квантования.
Для усилителя звукового сигнала этого желательно избежать и сделать это достаточно просто..
Оказывается можно создать АЦП без всяких ГТИ и реверсивных счётчиков и, главное, без упомянутого выше шума квантования при постоянстве уровня входного сигнала и со значительно большим быстродействием..
Такой АЦП на ОУ (или компараторах) и «жёсткой» логике отображён на рис.4.
Рис. 4
АЦП этого класса сначала с помощью компараторов преобразует входной сигнал в простейший унитарный код, а затем с помощью уже упомянутых выше логических элементов, а в данном случае объединённых в один корпус в двоичный код.
Здесь отображён всего лишь трехразрядной АЦП, поскольку для четырехразрядного потребовалось бы минимум 15 компараторов, которые здесь просто бы не уместились.
А сколько, интересно, потребуется компараторов для двенадцатиразрядного кода. Догадаться не трудно. По этой причине разрядность таких АЦП редко превышает четырёх.
Отметим особенность этого АЦП.
При постоянной величине уровня входного сигнала значение кода так же остаётся постоянным. Нет шумов квантования в статике. Это очень существенно при создании усилительного тракта.
Ну а после такого небольшого вступления остался пустячный вопрос а как создать силовой ЦАП, способный сформировать знакопеременный сигнал большой мощности, да ещё с высоким КПД и с эквивалентным числом уровней квантования не менее 2048, дабы обеспечить малые нелинейные искажения сигнала и всего лишь именно при трёх – четырёх разрядном АЦП.
Любой профи, (да ещё лет 40 тому назад) просто покрутит пальцем у своего виска, указывая вопрошающему его статус.
Но как говорят, всем известно, что это невозможно. Но всегда найдётся невежда, который этого не знает. Он то и находит техническое решение.
И такой невежда всё же нашёлся. Просто ему очень хотелось создать усилитель, с достоинствами усилителя класса D и не имеющего недостатков, присущих этому классу усиления.
Логика рассуждения невежды.
Если обратиться к схеме на рис. 2, то легко видеть, что резисторная матрица является по сути схемой суммирования токов с градациями J, 2J, 4J, 8J.
Но почему бы схему сложения токов не заменить схемой сложения напряжений, а точнее схемой сложения мощностей отдельных усилительных блоков, тем более, что в мощных усилителях на сотни и тысячи ватт (Эстрадные усилители для стадионов, системы оповещения при ЧС, радиотрансляционные усилители, усилители для вибростендов и т. д.), где без схемы суммирования мощностей единичных усилительных модулей просто не обойтись.
Ну, например, как это сделано на рис. 5
Рис. 5
При малом уровне сигнала функционирует только модуль (усилитель) 1N, формируя прямоугольный сигнал, далее в работу включается усилитель 2N, при этом усилитель 1N – отключается, далее включаются оба и так до уровня мощности в 15N.
Предложенный вариант, несмотря на его наглядность абсолютно не пригоден для практического применения, поскольку мало, кто задавал себе вопрос, а как ведёт себя усилитель, у которого на входе нет сигнала, а через его выходную цепь протекает ток нагрузки от других активированных модулей.
Это уже другая головная боль для разработчика.
Как уже отмечалось выше вариант с применением постоянной составляющей в АЦП для формирования знакопеременного сигнала, в нагрузке мощного усилителя здесь просто не допустим.
И как же тогда быть? А просто рассуждать так же, как невежда, т. е. не так, как все. А начать следует с концепции построения структуры к двуполярного ЦАП и всей структуры усилителя с импульсно-кодовой модуляцией.
И здесь следует обратиться к опыту построения усилителей класса В.
В усилителях класса В входной сигнал (синусоида) «разрезается» на две части, каждая из которых усиливаем своим каналом, а затем усиленные сигналы складываем в нагрузке.
Очевидно, что точно так же следует поступить и с усилителем класса Е
Это означает, что нам понадобиться фазоинвертор, два АЦП на положительную и отрицательную полуволны сигнала и обязательно селектор полярности входного сигнала, дабы обеспечить поочерёдную работу первого и второго АЦП.
И если одну из проблем можно считать решённой, то осталась другая, а именно, создание ключевого силового ЦАП с двуполярным выходным сигналом, к рассмотрению которой мы и приступим..
Ключевой модуль ячейки силового ЦАП
Очевидно, что для построения силового ЦАП по принципу сложения мощностей (напряжений) отдельных единичных модулей нужен несколько иной подход к проектированию последних.
Поэтому сформулируем основные требования для такого ключевого усилительного модуля.
1.Каждому такому усилительному модулю требуется отдельный, гальванически изолированный от других источник питания. Напряжение питания модулей определяется его местом в кодовой иерархии ЦАП, т.е. Епит. 2Епит. 4Епит. и т. д.
Пусть критиков и скептиков это не пугает. В любом компьютере, блок питания выдаёт широкий ассортимент гальванически развязанных напряжений, таких как 3,3В, 5В, 9В, 12В, и т. д.
Да и реализовать гальваническую развязку по питанию от борт-сети любого транспортного средства, тем более для маломощных узлов (для питания младших разрядов силового ЦАП) никаких затруднений не вызывает.
2. При малых уровнях входного сигнала необходимо обеспечить режим короткого замыкания по выходной цепи каждого из неактивированных усилительных модулей для беспрепятственного протекания тока в нагрузку от других функционирующих блоков (см. рис.5)
3. Очевидно, что каждый такой модуль должен обеспечивать и формирование на выходе знакопеременного выходного сигнала.
.Рассуждая логически, и с учётом вышеперечисленных требований можно придти к выводу, что такой ключевой модуль обязан иметь два входа для его управления – прямой и инверсный, т. е. +1 и -1. для возможности формирования как положительной, так и отрицательной полуволн входного сигнала.
Попробуем его смоделировать, что и сделано на рис. 6 с поправкой на элементную базу текущего времени.
Рис. 6
Не трудно видеть, что это типовой ключевой усилитель мощности (УМ-К) со смещённой рабочей точкой и двумя входами –прямым (+1) и инверсным (-1).
Как следует из приведённой схемы, при отсутствии импульсов возбуждения транзисторы Т3 и Т4 закрыты, а транзисторы Т1 и Т2 открыты, обеспечивая режим КЗ выходной цепи модуля для знакопеременного сигнала.
При наличии импульсов возбуждения от АЦП на прямом или инверсном входе модуль формирует соответственно импульсы большой мощности положительной или отрицательной полярности.
Если напряжение питания этих модулей составляет Е, 2Е, 4Е 8Е ( напр. 5В, 10В, 20В, и 40В.) то не трудно сформировать и силовой ЦАП с выходным напряжением на нагрузке 15Е (или 75В).
Но основе вышеизложенного материала уже можно вполне сконструировать простейший усилитель класса Е
Поэтому далее переходим к вариантам построения усилителей с импульсно-кодовой модуляцией или усилителей класса Е
Варианты исполнения усилителей класса Е.
Первым, наиболее простейшим вариантом усилителя класса Е может служить усилитель, структурная схема которого приведена на рис. 7.
Здесь уместно напомнить ещё раз что все силовые модули гальванически развязаны между собой, т. е. имеют гальванически развязанные источники питания и развязаны оптопарами по цепям управления.
Рис. 7
Вряд ли нужны какие либо пояснения по специфике его работы, если не считать того, что в этом усилителе, как уже отмечалось выше, обеспечивается при двоичном коде всего лишь 15 уровней квантования (30 на полный размах синусоиды), что явно недостаточно для высококачественного усилителя звукового сигнала.
Однако это не означает, что он в таком виде не находит никакого практического применения.
В системах оповещения ГО при ЧС, особенно на подвижных объектах важно не столько качество, сколько разборчивость передаваемого речевого сообщения, а также экономичность и малые габариты устройства.
И с этими задачами он справляется прекрасно, тем более, что число уровней квантования в этой конструкции легко увеличивается до 40 на одну полуволну (или 80 на полный размах сигнала) только за счёт перехода на троичный код (небольшая модернизации АЦП), но об этом чуть ниже
Тем не менее возникает вполне резонный вопрос, а нельзя ли его модернизировать для получения полноценного выходного сигнала?
Оказывается что можно, причём в нескольких вариантах.
Наиболее простой заключается в следующем.
Для усилителя класса Е используются два двенадцатиразрядных АЦП, причём старшие разряды с 9 по 12 включаются по схеме на рис. 7 а младшие с 1 по 8 поступают на резисторный ЦАП, сигнал с которого поступает на аналоговый усилитель.
Последний же добавляется к цепочке ключевых усилителей на рис. 7 в качестве условного «пятого разряда»
Не вдаваясь в дискуссию о недостатках такого варианта, перейдём к следующему.
Итак, мы имеем исходный входной синусоидальный сигнал, а на резисторном ЦАПе полную копию выходного сигнала усилителя класса Е.
Разность этих двух сигналов можно рассматривать уже как нелинейные искажения усилителя класса Е, ну а профи разговорного жанра пусть определяют их как шумы квантования.
На рис.8 отображён этот процесс с помощью обычного ОУ.
Рис. 8
Поэтому, если в цепочку ключевых усилителей УМ-К включить дополнительный аналоговый усилитель УМ-А, обеспечивающий усиление разницы упомянутых сигналов и компенсирующий таким образом искажения ключевого усилителя, то на нагрузке получим уже не искажённый выходной сигнал.
Такой класс усиления целесообразно определить, как режим усиления АВЕ.
Здесь важно отметить, что наличие аналогового усилителя в системе и отсутствие фазосдвигающих цепей (в отличие от усилителей с ЩИМ) даёт возможность охватить всю систему усилителей глубокой ООС в пределах мощностных возможностей аналогового усилителя.
Вариант структурной схемы такого усилителя с трёхразрядным АЦП на компараторах (см. рис. 4) приведён на рис. 9.
Рис. 9
Несколько слов о работе этого устройства.
В исходном состоянии при отсутствии входного сигнала ( полагаем, что АЦП, выполнен по схеме на рис. 4) выходной сигнал усилителя равен нулю.
При малом уровне входного сигнала (до первого уровня квантования) аналоговый канал обеспечивает в нагрузке необходимую величину выходного напряжения.
С ростом входного сигнала срабатывает компаратор первого уровня квантования и модуль УМ-К1 выдаёт в цепь нагрузки прямоугольный импульс +Uвых., но в этот же момент времени сигнал с резисторного R-ЦАП снижает уровень входного сигнала аналогового усилителя до нуля, поэтому и его выходное напряжение оказывается равным нулю.
Таким образом в момент точки перехода первого уровня квантования в цепи нагрузки нет скачка тока или напряжения, нет, соответственно, «ступеньки», нет радиоизлучения.
Ну а далее напряжение на входе системы, как и на входе аналогового усилителя продолжает нарастать до второго уровня квантования и т. д.
Легко видеть, что что развёртка уровня выходного сигнала ключевыми модулями в приведённом варианте усилителя класса АВЕ осуществляется в двоичном коде.
Но развёртку уровня выходного сигнала можно производить и в унитарном коде просто путём последовательного поочередного включения однотипных ключевых модулей, используя сигналы команды непосредственно с компараторов (см. рис. 4).
Теперь остановимся на величине мощности аналогового усилителя в иерархи дискретно-аналогового усилителя на рис. 9.
Его мощность не может быть ниже мощности ключевого усилителя младшего разряда.
Если, например мощность аналогового усилителя составляет всего 5 Вт , то усилитель по структурной схеме на рис. 8 способен отдать в нагрузку до 40 Вт.
При 50 Вт – соответственно 400 Вт.
Легко подсчитать в этом случае и теоретический КПД рассматриваемой системы.
Полагая величину КПД аналогового усилителя в данном режиме работы в пределах 50% полный теоретический КПД системы составит 94%..
Если есть необходимость его увеличить или уменьшить мощность аналогового канала необходимо либо увеличивать число разрядов, напр. до 4 (тогда теоретический КПД составит 97%) , либо переходить на троичный код, т. е. производить развёртку уровня выходного сигнала в троичном коде.
Попытаемся сделать то и другое сразу.
На рис. 10 отображена только дискретная часть усилителя с импульсно-кодовой модуляцией, того самого, что предназначен для использования в системах оповещения ГО при ЧС.
Он включает в себя, кроме силового ЦАП, фазоинвертор ФИ, селектор полярности входного сигнала СП, сдвоенный двоичный АЦП на счётчиках и транскодер, преобразующий двоичный код в троичный.
Рис. 10
Как следует из приведённого рисунка число уровней квантования в данном случае при четырёх силовых модулях (четырёхразрядный ЦАП) составляет (1+3+9+27) 40.
Возможно некоторым читателям будет не совсем понятно, как формируются в такой системе промежуточные уровни, , напр. уровень 2Uвых.
Просто кодом управления -1+1 0 0 включается второй модуль и одновременно первый, но с противоположным знаком (см. рис. 6).
Для формирования, напр. 5Uвых. кодом -1 -1 +1 0 включается третий модуль и два первых, но с противоположным знаком и т. д.
Принцип простой; имея в распоряжении всего лишь четыре гири 1кГ, 3кГ, 9кГ и 27кГ можно взвесить любое количество картофеля в пределах от 1 до 40кГ.
Если этот усилитель дополнить аналоговым каналом, то теоретический КПД системы составит 98,7% , а мощность аналогового канала всего лишь 2,5% от мощности всей системы.
Это означает, что для создания, напр., двухкиловатного высококачественного усилителя звуковой частоты, напр. для стадиона или вибростенда нам понадобиться АЦП с троичным кодом, четыре ключевых модуля с источниками питания и высококачественный аналоговый усилитель, мощностью всего в 50 Вт.
По-видимому здесь следует сказать слово стоп, но в заключение несколько слов от автора, обращённых к читателю.
Как уже упоминалось в предыдущих публикациях канал создавался, как просветительский без какой либо коммерческой основы.
Его назначение противопоставлять материалы канала тем низкопробным публикациям по радиотехнике, которые заполонили интернет.
Вряд ли будет самонадеянном утверждение автора, что читатель впервые узнал из данной статьи про усилители с импульсно-кодовой модуляцией.
Если ли он прав, поставь ему лайк, и можешь даже подписаться, поскольку в его планах рассказать и про усилители следующего класса – класса F, и о принципах работы навигатора в твоём смартфоне и т. д.
Если он не прав, напиши ему в комментарии или просто изложи свою позицию.
И вот на этом действительно следует завершить статью.
Автор и он же и невежда Кибакин Владислав Михайлович.