Транзисторные усилители класса D

Транзисторные усилители класса D

Радиолюбитель и коротковолновый 1971/03
Wojciech Czerwiński

Jerzy Kwaśniewski

Импульсные схемы с транзисторами, переключаемыми из режима отсечки в режим насыщения, нашли широкое применение в цифровой технике и технике автоматического управления, в том числе благодаря их высокой эффективности. Поиск путей повышения эффективности транзисторных акустических усилителей привел к их применению для усиления низкочастотных сигналов. коммутирующие усилители, работающие в классе D. Такие усилители показывают КПД 90%, недостижимый в обычных системах класса A, B или C.

Принцип действия

Кратко рассмотрим принцип усиления гармонических сигналов в импульсных усилителях. Работа класса D - это тип работы усилительного элемента, при котором этот элемент находится в процессе рабочего цикла только в двух состояниях: полная блокировка, когда через него не протекает ток, или полная разблокировка, когда падение напряжения на нем близко к нулю. Если через резистор протекает ток в виде прямоугольных импульсов, показанных на рисунке 1, то среднее значение тока Io, отмеченное пунктирной линией, может быть равно нулю (рисунок 1a), больше нуля (рисунок 1b). или меньше нуля (рисунок 1c). Отношение длительности импульса к периоду повторения называется скважностью γ.

Для сигналов на рисунке 1 коэффициент γ равен соответственно: γ = 0,5, γ> 0,5 и γ <0,5. Если изменение γ от максимального до минимального значения осуществляется в соответствии с функцией, например sin (ωt), то в такой серии импульсов среднее значение импульсов будет низкочастотной гармонической составляющей sin (ωt).


Рис. 1. Прямоугольные формы сигналов с разными коэффициентами заполнения..

В противном случае каскад, работающий в импульсной системе, может усилить низкочастотные колебания, если мы подадим серию импульсов, в которых положительный полупериод низкочастотного сигнала равен импульсы со значением γ> 0,5 соответствуют отрицательному полупериоду, а импульсы со значением γ <0,5 - отрицательному полупериоду (рис. 2). Здесь мы имеем дело с широтно-импульсной модуляцией. Само собой разумеется, что частота повторения импульсов должна быть намного больше, чем самая высокая частота усиленного низкочастотного сигнала.

 
Рис. 2. Широтно-импульсная модуляция синусоидой>
а - модулирующий сигнал, б - импульсный модулированный сигнал.

Широтно-импульсная модуляция может быть реализована различными способами. Самый простой метод показан на рис. 3. Треугольное напряжение сравнивается с синусоидальным напряжением, представляющим низкочастотный сигнал. На выходе модулятора возникают прямоугольные импульсы, длительность которых зависит от амплитуды усиливаемого сигнала. Форма волны треугольника может быть получена из прямоугольных импульсов с помощью интегратора Миллера.


Рис. 3. Широтно-импульсная модуляция с использованием напряжения треугольной формы.

Существует два схемных решения усилителей класса D. В первой схеме, блок-схема которой представлена ​​на рис. 4, используется дополнительный генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы. После интеграции в каскад интегратора Миллера эти импульсы одновременно с низкочастотным сигналом поступают на каскад модулятора.


Рис. 4. Блочная схема усилителя класса D с отдельным генератором импульсов.

Второе решение не включает дополнительный генератор прямоугольных импульсов. Коммутирующий сигнал создается непосредственно усилителем, выход которого соединен со входом интегратора Миллера. Итак, у нас есть внешняя цепь обратной связи, блок-схема которой представлена ​​на рис.5.


Рис. 5. Блочная схема усилителя класса D без генератора импульсов, но с положительной обратной связью.

В обоих решениях - для разделения низкочастотного сигнала на выходе. - требуется фильтр нижних частот. Этот фильтр имеет постоянную времени, выбранную для разделения радиочастотных колебаний. от самых высоких акустических частот он подключается последовательно с катушкой динамика.

Практические решения усилителей класса D с выходной мощностью 2Вт

В схеме усилителя, представленной на рис. 6, можно обнаружить явное сходство с блок-схемой на рис. 4. Транзисторы Т7 и Т8 являются частью нестабильного мультивибратора с резистивной связью в эмиттере. Мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы с частотой не менее 50 кГц. Частота вибрации зависит, помимо прочего, от емкости конденсатора C4. Рабочий цикл генерируемых импульсов должен составлять 0,5 и в небольшом диапазоне он регулируется потенциометром 10 кОм в цепи базы транзистора Т8.

Прямоугольные импульсы через резистор R2 подаются на базу транзистора Т1. Этот транзистор действует как интегратор Миллера. Это усилитель с отрицательной обратной связью через конденсатор С1. В результате эффекта Миллера входная емкость на входе усилителя равна Cwe - C1 (k + 1), где k - коэффициент усиления по напряжению каскада интегратора. Таким образом, интегратор R2Cwe с постоянной времени τ = R2Cwe = R2C1 (k + 1) создается для прямоугольных импульсов. Следовательно, обратная связь увеличивает постоянную времени интегрирования (ku + 1) в раз по сравнению с интегрирующей системой, состоящей из резистора R и конденсатора C. Такая система обеспечивает более высокую точность интегрирования и более высокое выходное напряжение. Емкость конденсатора С1 составляет примерно 25 пФ. Одновременно через резистор R1 на базу транзистора Т1 подается низкочастотный сигнал. Итак, на выходе мы получаем две формы волны: синусоидальную, представляющую низкочастотный сигнал. и треугольные в результате интегрирования прямоугольных импульсов.

Функцию модулятора выполняет транзистор Т2, эмиттер которого имеет постоянный потенциал, определяемый резистивным делителем R3 и R4. На выходе модулятора появляются прямоугольные импульсы с шириной, модулированной низкочастотной формой волны. Сигнал с модулятора управляет каскадом Т3 усилителя, работающим с насыщением.

Бестрансформаторный конечный каскад с транзисторами Т5 и Т6 (комплементарная пара) управляется эмиттерным повторителем Т4. Эмиттерный потенциал транзисторов Т5 и Т6 должен быть равен половине значения напряжения питания. Нагрузкой финального каскада является LC-фильтр нижних частот и катушка динамика.

Коэффициент усиления системы увеличивается за счет контура положительной обратной связи, содержащего конденсаторы C2 и C3. Конденсатор C2 увеличивает эффективность блокировки транзисторов T4 и T5 в течение положительных полупериодов прямоугольной волны. Конденсатор C3 повышает надежность блокировки транзистора T6 во время отрицательных полупериодов прямоугольной волны.

Частотная характеристика усилителя с неоднородностью на концах диапазона 3 дБ составляет 20 Гц ÷ 10000 Гц.

Уменьшение усиления на более низких частотах зависит в основном от значения емкости связи, в то время как уменьшение усиления на более высоких частотах зависит от скорости перезагрузки емкости C1 в каскаде интегратора Миллера, монтажных емкостей и величины индуктивности фильтр нижних частот.

Выходная мощность усилителя при нагрузке 15 Ом составляет 2 Вт.


Рис. 6. Схема усилителя класса D по блочной схеме на рис. 4.

Более интересным решением является схема усилителя с внешней обратной связью, представленная на рис.7. Соединение выхода усилителя с входом интегратора Миллера (через резистор 560 кОм) позволяет без дополнительного генератора получать треугольные формы сигналов, используемые для модуляции ширины прямоугольных импульсов. Частота колебаний комплекта зависит от величины емкости C1 и составляет около 100 кГц. По сравнению с предыдущей схемой, частотная характеристика намного шире и составляет 20 Гц ÷ 20000 Гц, -2 дБ. Выходная мощность - 2 Вт при сопротивлении нагрузки 15 Ом.


Рис. 7. Принципиальная схема усилителя класса D по блочной схеме на рис. 5.

Самым большим преимуществом обсуждаемых импульсных систем является их высокий КПД. Благодаря этому можно получить значительные выходные мощности с использованием в конечном каскаде маломощных транзисторов. Недостатком усилителей этого типа является более высокий уровень нелинейных искажений, чем у усилителей классов A и B. Основным источником этих искажений является каскад интегратора Миллера. Поэтому при строительстве следует обратить внимание на выбор емкости С1. Треугольные импульсы должны иметь высокую степень симметрии и хорошую линейность. Также важна высокая симметрия транзисторов силового каскада.