Сравнительный анализ характеристик ключевых усилителей звуковых сигналов

В статье рассмотрены особенности построения клю чевых усилителей мощности, предназначенных для пере­носн ой и высококачественной аппара­туры звуковоспроизведения. Приведены результаты моделирования усилите­лей клас са D с внешним сигналом несу­щей частоты и усилителей UcD с само­возбуждением. Приведены сравнитель­ные характеристики усилителей клас­сов D и Т, которые позволяют сделать обоснованный выбор схемных решений для конкретных применений.

В. Макаренко

Следствием постоянной борьбы за повыше­ние КПД и снижение нелинейных искажений, возникающих в усилителях мощности аналого­вых сигналов, стал переход от линейного к ключевому режиму работы выходного каскада. В [1] рассмотрены основные характеристики различных режимов работы выходных каска­дов усилителей мощности и особенности по­строения ключевых усилителей. Такие усили­тели называют еще импульсными или цифро­выми. Их особенностью является то, что вы­ходные транзисторы усилителя работают в ключевом режиме “открыт – закрыт”. Чаще всего по такой схеме строятся усилители клас­са D, в которых управление выходными тран­зисторами осуществляется с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

С момента публикации [1] появились новые разработки, одной из которых стал предло­женный компанией Philips Electronics (в на­стоящее время – NXP) в 2005 году усилитель звуковой частоты класса D с самовозбуждени­ем (“самоосциллирующий”). В этом усилителе использована UcD-технология (Universal Class D) формирования сигнала управления вы­ходными транзисторами [2]. Разработчиком усилителя является бельгиец Бруно Путцей (Bruno Putzeys). Из описания таких усилите­лей трудно понять, в чем их преимущества пе­ред другими ключевыми усилителями, реализованными на основе схем с самовозбуждени­ем или с внешним возбуждением. Это и стало мотивацией написания данной статьи.

Чтобы сравнивать различные усилители с ШИМ-управлением, необходимо представлять, по каким функциональным схемам они реали­зуются. Существует несколько таких схем и их модификаций. Основное их отличие заключа­ется в том, формируется ли ШИМ-сигнал с по­мощью внешнего генератора линейно-изме- няющегося напряжения, или же схема усили­теля работает в режиме самовозбуждения вследствие введения положительной обратной связи. В статье не рассматриваются так назы­ваемые цифровые усилители, в которых сигнал управления выходным ключевым каскадом формируется с применением сигма-дельта АЦП [1]. Упрощенная функциональная схема усилителя класса D с внешним генератором ли- нейно-изменяющегося треугольного напряже­ния (ГЛИН) приведена на рис. 1. Для миними­зации искажений, вносимых модулятором

Рис. 1. Функциональная схема усилителя класса D с внешним генератором линейно-изменяющегося напряжения

Рис. 2. Форма сигналов на входах и выходе ШИМ-модулятора

ШИМ-сигнала, состоящим из компаратора К и ГЛИН, необходимо применить симметричную модуляцию в соответствии с рекомендация­ми [3]. Формы сигналов на входах компаратора и на его выходе показаны на рис. 2.

Модификацией схемы рис. 1 является схе­ма управления усилителя класса D (рис. 3), примененная в двухканальном усилителе TDA7490L, выпускаемом компанией STMicro­electronics. Сигнал на вход ШИМ-модулятора подается через неинвертирующий вход интег­ратора (INTEGRATOR1).

Рис. 3. Модификация ШИМ-модулятора с внешним ГЛИН в усилителе класса D TDA7490L

К инвертирующему входу интегратора кро­ме времязадающих элементов подключен ре­зистор R17, через который в цепь ШИМ-моду­лятора и ключевого усилителя (PWM-stage1) для уменьшения нелинейных искажений вво­дится отрицательная обратная связь. Однако это не дает существенного улучшения характе­ристик. ИМС обеспечивает при мощности 1 Вт на нагрузке 8 Ом коэффициент гармоник 0.1%, а при мощности 30 Вт – 10%, что является весьма посредственным результатом.

Рис. 4. Структурная схема UcD-усилителя

Структурная схема UcD-усилителя приведе­на на рис. 4. Обратная связь с выхода ФНЧ по­дается через корректирующую цепь R1, R2, R3 и C1. Коэффициент усиления всего усилителя определяется отношением R3/R1. На частоте, на которой суммарный фазовый сдвиг ФНЧ и кор­ректирующей цепи составляет 180 градусов, возникают автоколебания. Величины сопротив­ления резистора R2 и емкости конденсатора C2 выбираются таким образом, чтобы частота коле­баний была в диапазоне 300…350 кГц. В [4] при­ведены характеристики усилителя Hypex UcD400, который обеспечивает при выходной мощности 200 Вт коэффициент гармоник, не превышающий 0.05%. Эти параметры во мно­гом схожи с параметрами усилителя UcD, вы­полненного на дискретных элементах на де­монстрационной плате UM10155 компании Philips [5]. Усилитель обеспечивает при выход­ной мощности 200 Вт КПД не менее 92% и коэффициент гармоник не более 0.03%.

Рис. 5. Структурная схема усилителя PurePath™ HD

Компания Texas Instruments предложила вариант усилителя класса D, получивший на­звание PurePath™ HD [6]. Структурная схема усилителя PurePath™ HD приведена на рис. 5. Как видно из схемы, усилитель охвачен общей отрицательной обратной связью, поступаю­щей через аналоговый петлевой фильтр с вы­хода ключевого усилителя на вход компарато­ра. Параметры фильтра определяют частоту, на которой фазовый сдвиг составляет 180 гра­дусов, в результате чего и возникает автоколе­бательный процесс. Основное отличие усили­теля PurePath™ HD заключается в том, что сигнал обратной связи снимается до выходно­го фильтра нижних частот. О характеристиках таких усилителей можно судить по ИМС типа TAS5631, представляющей собой стереофони­ческий усилитель с максимальной выходной мощностью 300 Вт на канал. Усилитель обес­печивает коэффициент гармоник (Кг) 0.03% при выходной мощности 1 Вт на нагрузке 4 Ом. При выходной мощности 100 Вт Кг=0.05% и стремительно растет при увеличе­нии мощности. Так при выходной мощности 200 Вт Кг составляет уже 0.6% на нагрузке 4 Ом и 10% – на нагрузке 8 Ом. Усилитель имеет ярко выраженный минимум искажений при выходной мощности 20…30 Вт (0.005%).

Все производители подобных усилителей заявляют, что такие параметры достигнуты благодаря их фирменной технологии. Так ли это, или параметры усилителей в основном определяются режимом работы выходных кас­кадов ключевых усилителей и параметрами транзисторов, используемых в них?

Для сравнения выберем усилитель класса D с внешним генератором линейно-изменяюще- гося треугольного напряжения и усилитель UcD. При этом будет использоваться один и тот же ключевой усилитель, а изменяться будет схема возбуждения ШИМ-модулятора. Моде­лирование проведем с помощью программы NI Multisim. Целью моделирования является вы­яснение того, какая из структурных схем поз­воляет реализовать усилитель с меньшими не­линейными искажениями.

Принципиальная схема упрощенной моде­ли усилителя UcD приведена на рис. 6, а. В схеме отсутствует мощный ключевой кас­кад, а в качестве компаратора используется быстродействующий ОУ компании Analog Devices типа AD8036AR с полосой пропуска­ния 250 МГц и скоростью нарастания выход­ного напряжения 1500 В/мкс.

Рис. 6. Принципиальная схема модели усилителя UcD (а) и осциллограммы сигналов на выходе усилителя и ФНЧ (б)

Параметры выходного фильтра (L1, C3) и цепи обратной связи (R2.R4, C2) взяты из [5]. Коэффициент усиления всей схемы опреде­ляется соотношением Ку = 1+( R 2/R 4).

На неинвертирующий вход усилителя U1 по­дается гармонический сигнал амплитудой 60 мВ. На осциллограммах (рис. 6, б) приведе­ны формы сигналов на выходе усилителя U1 (красная) и на выходе ФНЧ L1, C3 (зеленая) при сопротивлении нагрузки 100 Ом. Так как фильтр имеет малую крутизну спада АЧХ, а ча­стота несущего колебания приблизительно рав­на 300 кГц, то на выходном сигнале виден ослабленный сигнал несущего колебания. Ам­плитуда сигнала на выходе LC-фильтра прибли­зительно равна 1 В. Попытка увеличить коэф­фициент усиления или амплитуду сигнала на входе до 130 мВ (при этом амплитуда сигнала на выходе равна 3 В) приводит к перемодуляции сигнала, как показано на рис. 7.

Рис. 7. Осциллограмма сигнала на выходе усилителя U1 при амплитуде входного сигнала 130 мВ

Для оценки уровня искажений проведем Фурье-анализ в ноде 7 (точка подключения входа B осциллографа к сопротивлению на­грузки). Для этого в меню Simulate/Analyses выбираем режим Fourier Analysis. Оставляем параметры анализа, установленные в програм­ме NI Multisim по умолчанию: разрешение по частоте 1 кГц, число гармоник для анализа – 9 и частоту дискретизации 100 кГц. Выбираем для анализа напряжение V(7) в ноде 7 и нажимаем кнопку Simulate. Результаты анализа приведены в табл. 1.

Таблица 1. Спектральный состав сигнала на выходе упрощенной модели усилителя UcD

Как следует из табл. 1, при входном сигнале амплитудой 60 мВ уровень третьей гармоники составляет 0.0026 от уровня первой, а при вход­ном сигнале 130 мВ – примерно в 10 раз больше. Кроме того, управлять таким сигналом мощ­ным драйвером, включаемым между выходом усилителя U1 и нагрузкой, невозможно из-за провалов напряжения управления (рис. 7).

Рис. 8. Принципиальная схема модели усилителя класса D с внешним ГЛИН (а) и осциллограммы входного и выходного сигналов (б)

Для сравнения с усилителем класса D вне­сем небольшие изменения в схему. Отключим цепь ОС и подключим внешний генератор тре­угольного напряжения, в качестве которого ис­пользуем функциональный генератор (рис. 8, а). С учетом напряжения питания ±5 В, установим амплитуду треугольного на­пряжения 5 В, а амплитуду модулирующего напряжения 4 В. При таких параметрах ам­плитуда сигнала на выходе LC-фильтра будет составлять примерно 3 В. В отличие от усилителя UcD на выходе усилителя U1 перемодуля- ция не наблюдается (рис. 8, б).

Результаты Фурье-анализа (табл. 2) пока­зывают, что при амплитуде сигнала на входе, равной 1.3 В, уровень третьей гармоники со­ставляет 0.068 от уровня первой, а при 4 В – 0.0064, т.е. практически в 10 раз меньше.

Таблица 2. Спектральный состав сигнала на выходе усилителя класса D с внешним ГЛИН

Причины этого явления не совсем ясны и тре­буют дополнительных исследований. Однако, сравнивая результаты моделирования двух типов усилителей, можно сделать некоторые пред­варительные выводы. Благодаря введению об­щей отрицательной обратной связи с выхода на вход в усилителе UcD удается реализовать более линейный режим его работы и получить мень­шее значение уровней гармонических состав­ляющих. Однако в процессе моделирования и по результатам анализа различных источников ин­формации удалось выяснить, что характеристи­ки усилителя весьма критичны к параметрам выходного LC-фильтра и корректирующей цепи.

Рис. 9. Принципиальная схема модели усилителя UcD с мощным выходным драйвером

Для проверки работоспособности схемы при низкоомной нагрузке проведено моделирование схемы усилителя UcD с мощным выходным драйвером (рис. 9). При указанных на схеме но­миналах элементов проведен Фурье-анализ вы­ходного сигнала на нагрузке 4 Ом (рис. 10). Для сравнения с усилителем класса D на инверти­рующий вход компаратора вместо сигнала об­ратной связи был подан сигнал от функцио­нального генератора (аналогично рис. 8) и про­веден Фурье-анализ выходного сигнала.

Рис. 10. Результаты Фурье-анализа сигнала на выходе усилителя UcD

Анализ полученных результатов показал, что коэффициент гармоник на выходе модели усилителя UcD меньше почти в 40 раз в сравне­нии с усилителем класса D с внешним ГЛИН. онечно, это результаты анализа упрощенных оделей, поэтому они позволяют оценить пре- ущества усилителя UcD, но не дают одно- ачного ответа на вопросы, какие параметры мпаратора и выходного драйвера в наиболь- ей степени влияют на вносимые усилителем кажения. Для этого требуется детальный ализ искажений, вносимых каждым из этих лов.

Рис. 11. Спектры искажений на выходе усилителей классов D (а) и T (б)

Альтернативой усилителям класса D и UcD огут служить усилители класса Т [1]. Прото- п усилителя класса Т, разработанный фир­ой Power Acoustic, был впервые показан на ставке в Зинцхайме в апреле 2000 года. усилителях, работающих в режиме класса D, линейные искажения на средних и верхних стотах звукового диапазона возрастают и мо­т стать недопустимо большими. Для умень- ения искажений разработчики фирмы Power coustic использовали в своих усилителях тех- логию пакетной коммутации TriPath, кото­ю применяет в своих концентраторах данных ирма Cisco – монополист на рынке широкопо- сных телекоммуникационных роутеров. От звания этой технологии и произошло назва- е усилителей. Компания Cisco отказалась пе­редавать кому-либо полный алгоритм и то­пологию микросхемы, реализующей техно­логию TriPath, но согласилась производить и программировать микросхемы по специ­альным требованиям фирмы Power Acous­tic. На опытном макете усилителя был пока­зан минимальный КПД 75% (при малой мощности в нагрузке) и максимальный – около 90% (при максимальной мощности, отдаваемой в нагрузку). Нелинейные иска­жения этого усилителя не превышали 0.08% при выходной мощности 100 Вт.

Рис. 12. Распределение энергии в спектре искажений на выходе усилителей классов D и T

В 2000 году при финансовой поддержке компаний Cisco, Intel и Texas Instruments была создана компания Tripath [1]. Специали­стам компании удалось разработать полностью цифровой усилитель звука на базе собственной технологии DPP (Digital Power Processing) с параметрами, аналогичными параметрам раз­работанных фирмой Power Acoustic усилите­лей. Этот усилитель в интегральном исполне­нии и называется усилителем класса Т.

КПД усилителей класса Т типичен для им­пульсных усилителей класса D. Однако уро­вень нелинейных искажений в усилителях класса D на средних и высоких частотах может достигать единиц процентов, в то же время, уровень нелинейных искажений в пределах со­тых долей процента удалось получить в усили­телях класса Т в широком диапазоне частот.

Принципиальное различие между усилите­лями классов D и T состоит в используемом ме­тоде модуляции. Если в усилителях класса D применяют ШИМ-модуляцию и фиксирован­ную частоту несущего колебания, то в усилите­лях класса T выходные транзисторы коммути­руются с изменяющейся по псевдослучайному закону (Dithering of the Switching Frequency) частотой, значение которой зависит от уровня входного сигнала. Такой способ модуляции аналогичен модуляции, используемой в техно­логии Spread Spectrum [1], и позволяет полу­чить в ключевых усилителях очень малые не­линейные искажения при сохранении высоко­го КПД.

Так как выходные транзисторы усилителей класса Т, как и усилителей класса D, работают в ключевом режиме, при их переключении возникают одинаковые искажения. Но благо­даря тому, что в усилителе класса Т спектр этих гармоник “размазывается” в широкой по­лосе частот, спектральная плотность гармоник информационного сигнала и комбинационных искажений имеет очень малое значение. На рис. 11 приведены спектры сигнала часто­той 1 кГц на выходе усилителей класса D (а) и Т (б) [1], а на рис. 12 — распределение энергии в спектре искажений этих же усилителей в ши­рокой полосе частот.

Рис. 13. Структурная схема стереофонического усилителя класса T

Структурная схема усилителя класса T по­казана на рис. 13 [1]. Схема содержит входной усилитель, АЦП и цифровой сигнальный про­цессор, выполняющий преобразование цифроконце 2009 г. – его более совершенной моди­фикации NCDX [8]. По информации разработ­чиков этот усилитель обеспечивает наимень­шие среди всех ключевых усилителей нели­нейные искажения, не превышающие 0.0007% в полосе частот 20 Гц…20 кГц при вы­ходной мощности 1 Вт на нагрузке 4 Ом, и име­ет полосу пропускания по уровню -3 дБ от 1 Гц до 125 кГц. Особенности усилителей NCD мы рассмотрим в следующих публикациях.

ЛИТЕРАТУРА

Макаренко В. Цифровая обработка зву­ковых сигналов // ЭКиС – Киев: VD MAIS, 2003, №№ 10, 11, 12.

Поташов Р., Кузнецов С. Новые усилите­ли класса D на основе технологии UcD // Ново­сти электроники, 2007, № 2.

Слепов Н.Н., Дроздов Б.В. Широтно-им­пульсная модуляция / Под. общ. редакцией А.А. Булгакова. – М.: Энергия, 1978. – 192 с.

http://www.hardwareanalysis.com/ content/article/1822.2/.

http://www.nxp.com/documents/ user_manual/UM10155.pdf.

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ tas5613.pdf.

http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/ tas5631.pdf.

http://www.newclassd.com/.