Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wady i zalety wzmacniaczy klasy D

Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wady i zalety wzmacniaczy klasy D
Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wady i zalety
wzmacniaczy klasy D
Wzmacniaczom klasy D przyświeca ta sama
„idea przewodnia”, co zasilaczom – przetwornicom napięcia, i niemal wszystkim układom
pracującym impulsowo. Moc nie wydziela się
na tranzystorze, zarówno włączonym jak i wyłączonym, zaś bywa znacząca w „obszarze przejścia” (między on i off). W pierwszym przypadku
zerowe jest napięcie, w drugim – prąd, a moc
to iloczyn tych dwu wielkości. Na elemencie
pracującym liniowo, występuje równocześnie,
i spadek napięcia, i płynie prąd. Dlatego unika
się „tego trybu”, a także w układach impulsowych, przełączanie ma być szybkie, bo energia,
to oprócz iloczynu prądu i napięcia, jeszcze
„całka po czasie”.
Ideę pracy wzmacniacza fonii w klasie D
pokazuje poniższy rysunek 5.
+UB
+
komparator
+
inwerter
-
generator
przebiegu
trójkątnego
-UB
Rys. 5 Wzmacniacz klasy D wykorzystuje
modulator PWM, końcówkę mocy, w której
tranzystory pracują, jako klucze, oraz filtr
dolnoprzepustowy dla odzyskania analogowej
repliki sygnału fonii
Klasa D wzmacniacza m.cz. bywa nazywana
cyfrową-digital. To zbieg okoliczności, i „D” nie
ma nic wspólnego z Digital. Aczkolwiek tranzystory wyjściowe pracują w dwu stanach, on i off.
Pracują, jako klucze. Podstawowym blokiem,
jest zaś modulator PWM, który ma zamienić
sygnał analogowy na dwustanowy, w którym
jednak nie zginie informacja analogowa. Aby
tak było, przetwarzanie PWM musi odbywać się
z częstotliwością ponadakustyczną.
Zdecydowanie szybciej aniżeli ulega zmianie
wartość sygnału analogowego. Ale to tylko jeden
z warunków. A także wszelkie koniugacje z cyfryzacją sygnału, częstotliwością Nyquista itp.,
są błędem, często spotykanym w powszechnym
rozumieniu, a także w literaturze na ten temat.
Praca modulatora szerokości impulsów (Pulse Width Modulator) polega na przełączaniu
tranzystorów-kluczy tak, aby w czasie ich włączenia (szerokości impulsów) zawarta była
informacja analogowa. I dobrze jest, jeśli częstotliwość pracy modulatora jest 10-cio krotnie wyższa (nie dwukrotnie jak nakazuje zasada
Nyquista) od maksymalnej częstotliwości
sygnału analogowego.
Skoro „ten” zawiera się w paśmie
20kHz, modulator PWM często pracuje na 200-tu kilohertzach. Podstawową
zasadą „zachowania informacji analogoRL wej”, jest nie wniesienie do niej „nowych
zniekształceń”. Rysunek 5 pokazuje
najprostszą realizację. Komparator porównuje wartość sygnału analogowego
z trójkątnym przebiegiem generatora.
Odstępstwa od „liniowości trójkąta”, to
już pierwsze źródło potencjalnych zniekształceń. A więc, to też pierwszy warunek, „trójkąt” musi być „wzorcowy”.
Nowym elementem, we wzmacniaczu
klasy D (nieobecnym w „dotychczasowych”), jest
filtr dolnoprzepustowy, zwykle złożony z cewki i kondensatora, czyli wykonany, jako filtr
LC. Sygnał na wyjściu wzmacniacza, w stopniu kluczującym, nawet, jeśli zawiera wierną
„informację analogową”, wzmocniony sygnał
m.cz., zawiera taż bogate widmo składowych
wysokoczęstotliwościowych. Należy je przed
głośnikiem odfiltrować, nawet, jeśli (z uwagi
na zakres ponadakustyczny), nie jesteśmy ich
w stanie usłyszeć.
SERWIS ELEKTRONIKI
Przegląd wzmacniaczy m.cz. fonii. Wady i zalety wzmacniaczy klasy D
Cała komplikacja układowa klasy D podyktowana jest przesłanką podniesienia sprawności. Wcześniej wymienialiśmy wartości 25%,
50%, 78% jako teoretyczne maksimum. Jaką
wartość należy tu wpisać? 100%. Ale teoretycznie. Sprawność wzmacniaczy klasy D bywa
faktycznie bardzo wysoka. I 90% osiągane jest
„bardzo praktycznie”. Ale okupione jest to nie
tylko komplikacją układową. Wzmacniacze klasy
D mają „wrodzone” szereg wad, nieobecnych
i nieznanych „analogowym konkurentom”. Nieuchronne „nowe zniekształcenia”, to tylko jedne
z nich, i wcale nie najtrudniejsze „do opanowania”. Obecność wysokoczęstotliwościowych
składowych w stopniu kluczującym sprawia, że
taki układ „sieje” sporo zakłóceń, nawet, jeśli
uda się je odfiltrować od głośnika. Walka z nimi,
nie polega tylko na rozwiązaniach układowych.
Rygorystyczne są zasady projektu płytki
PCB, prowadzenia ścieżek obwodu drukowanego. Bywa także konieczne ekranowanie fragmentów, lub całego wzmacniacza m.cz.
A co, z jakością (zniekształceniami)? Tu, na
szczęście przychodzi z pomocą „sprawdzone
panaceum”. Feedback. Ujemne sprzężenie
zwrotne, ma zwykle formę tradycyjną, analogową. Jednak, w zaawansowanych konstrukcjach, także „digital feedback”.
K. Ś
SERWIS ELEKTRONIKI