Tranzystorowe wzmacniacze klasy D.
Radioamator i Krótkofalowiec 1971/03
mgr inż. Wojciech Czerwiński
mgr inż. Jerzy Kwaśniewski
Układy impulsowe z tranzystorami przełączanymi od stanu odcięcia do nasycenia znalazły szerokie zastosowanie w technice cyfrowej i technice automatycznej regulacji, między innymi ze względu na ich dużą sprawność. Poszukiwania drogi zwiększenia sprawności tranzystorowych wzmacniaczy akustycznych doprowadziły do zastosowania dla wzmacniania sygnałów m.cz. wzmacniaczy impulsowych pracujących w klasie D. Wzmacniacze takie wykazują sprawność rzędu 90%, nieosiągalną w konwencjonalnych układach klasy A, B lub C.
Zasada działania
Rozważmy krótko zasadę wzmacniania sygnałów harmonicznych we wzmacniaczach impulsowych. Pracą w klasie D nazywa się taki rodzaj pracy elementu wzmacniającego, w którym element ten w procesie cyklu roboczego znajduje się tylko w dwóch stanach: całkowitego zablokowania, kiedy nie płynie przez niego prąd, lub całkowitego odblokowania, kiedy spadek napięcia na nim jest bliski zeru. Jeżeli przez opornik przepływa prąd w postaci impulsów prostokątnych przedstawionych na rysunku 1, to wartość średnia prądu Io oznaczona linią przerywaną, może być równa zeru (rys. 1a), większa od zera (rys. 1b) lub mniejsza od zera (rys. 1c). Stosunek czasu trwania impulsu do okresu powtarzania nazywa się współczynnikiem wypełnienia γ.
Dla przebiegów na rysunku 1 współczynnik γ wynosi odpowiednio: γ = 0,5, γ > 0,5 i γ < 0,5. Jeśli zmiana γ od wartości maksymalnej do minimalnej będzie realizowana zgodnie z funkcją np. sin(ωt), to w takim ciągu impulsów wartość średnia impulsów będzie składową harmoniczną małej częstotliwości sin(ωt).
Rys. 1. Przebiegi prostokątne o różnych współczynnikach wypełnienia.
Inaczej, stopień pracujący w układzie impulsowym może wzmacniać drgania m.cz., jeśli zastosujemy ciąg impulsów, w którym dodatniemu półokresowi sygnału m.cz. odpowiadają impulsy o wartości γ > 0,5, a ujemnemu półokresowi - impulsy o wartości γ < 0,5 (rys. 2). Mamy tu do czynienia z modulacją szerokości impulsów. Jest rzeczą oczywistą, że częstotliwość powtarzania impulsów powinna być znacznie większa od najwyższej częstotliwości wzmacnianego przebiegu m.cz.
Rys. 2. Modulacja szerokości impulsów przebiegiem sinusoidalnym>
a - przebieg modulujący, b - przebieg impulsowy zmodulowany.
Modulacja szerokości impulsów może być realizowana różnymi metodami. Najprostszy jest sposób przedstawiony na rys. 3. Napięcie o kształcie trójkątnym porównywane jest z napięciem sinusoidalnym reprezentującym sygnał m.cz. Na wyjściu modulatora pojawiają się impulsy prostokątne, których długość jest zależna od amplitudy wzmacnianego sygnału. Przebieg trójkątny może być otrzymywany z impulsów prostokątnych za pomocą integratora Millera.
Rys. 3. Modulacja szerokości impulsów przy zastosowaniu napięcia o kształcie trójkątnym.
Istnieją dwa rozwiązania układowe wzmacniaczy klasy D. W pierwszym układzie, którego schemat blokowy przedstawia rys. 4, zastosowany jest generator dodatkowy wytwarzający impulsy prostokątne. Impulsy te po scałkowaniu w stopniu integratora Millera doprowadzane są jednocześnie z sygnałem małej częstotliwości do stopnia modulatora.
Rys. 4. Układ blokowy wzmacniacza klasy D z oddzielnym generatorem impulsów.
Rozwiązanie drugie nie zawiera dodatkowego generatora impulsów prostokątnych. Sygnał komutacji powodowany jest bezpośrednio przez wzmacniacz o wyjściu sprzężonym z wejściem integratora Millera. Mamy więc układ z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym, którego schemat blokowy przedstawiono na rys. 5.
Rys. 5. Układ blokowy wzmacniacza klasy D bez generatora impulsów, lecz z dodatnim sprzężeniem zwrotnym.
W obydwu rozwiązaniach - w celu wydzielenia na wyjściu sygnału m.cz. - niezbędny jest filtr dolnoprzepustowy. Filtr ten o stałej czasowej dobranej tak, aby oddzielić drgania w.cz. od najwyższych częstotliwości akustycznych, włączony jest w szereg z cewką głośnika.
Praktyczne rozwiązania wzmacniaczy klasy D o mocy wyjściowej 2W.
W przedstawionym na rys. 6 schemacie wzmacniacza, można stwierdzić wyraźne podobieństwo do układu blokowego z rys. 4. tranzystory T7 i T8 wchodzą w skład multiwibratora astabilnego o sprzężeniu oporowym w emiterze. Multiwibrator generuje impulsy prostokątne o częstotliwości nie mniejszej niż 50kHz. Częstotliwość drgań zależna jest między innymi od pojemności kondensatora C4. Współczynnik wypełnienia wytwarzanych impulsów powinien być równy 0,5 i jest regulowany w niewielkim zakresie potencjometrem 10kΩ w obwodzie bazy tranzystora T8.
Impulsy prostokątne są doprowadzane przez opornik R2 do bazy tranzystora T1. Tranzystor ten pełni rolę integratora Millera. Jest to wzmacniacz z ujemnym sprzężeniem zwrotnym przez kondensator C1. W wyniku efektu Millera pojemność wejściowa na wejściu wzmacniacza wynosi Cwe - C1(k + 1), przy czym k - wzmocnienie napięciowe stopnia integratora. Powstaje więc dla impulsów prostokątnych układ całkujący R2Cwe o stałej czasowej τ=R2Cwe=R2C1(k + 1). Sprzężenie zwrotne powoduje zatem zwiększenie stałej czasowej całkowania (ku+1)-krotnie w porównaniu z układem całkującym złożonym z opornika R oraz kondensatora C. Układ taki zapewnia większą dokładność całkowania i większe napięcie wyjściowe. Pojemność kondensatora C1 wynosi około 25pF. Jednocześnie na bazę tranzystora T1 doprowadzany jest poprzez opornik R1 sygnał m.cz. Na wyjściu otrzymujemy zatem dwa przebiegi: sinusoidalny reprezentujący sygnał m.cz. oraz trójkątny powstały w wyniku scałkowania impulsów prostokątnych.
Funkcję modulatora pełni tranzystor T2, którego emiter ma stały potencjał ustalony przez dzielnik oporowy R3 i R4. Na wyjściu modulatora pojawiają się impulsy prostokątne o szerokości modulowanej przebiegiem m.cz. Sygnał z modulatora steruje stopień wzmacniacza z tranzystorem T3, pracujący z nasyceniem.
Beztransformatorowy stopień końcowy z tranzystorami T5 i T6 (para komplementarna) sterowany jest z wtórnika emiterowego T4. Potencjał emiterów tranzystorów T5 i T6 powinien być równy połowie wartości napięcia zasilającego. Obciążeniem stopnia końcowego jest filtr dolnoprzepustowy LC i cewka głośnika.
Wzmocnienie układu zwiększa pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego, zawierająca kondensatory C2 i C3. Kondensator C2 zwiększa skuteczność blokowania tranzystorów T4 i T5 w czasie trwania dodatnich półokresów przebiegu prostokątnego. Kondensator C3 poprawia pewność blokowania tranzystora T6 w czasie trwania ujemnych półokresów przebiegu prostokątnego.
Charakterystyka częstotliwościowa wzmacniacza przy nierównomierności na krańcach pasma 3dB wynosi 20Hz÷10000Hz.
Spadek wzmocnienia przy niższych częstotliwościach uzależniony jest głównie od wartości pojemności sprzęgającej, natomiast spadek wzmocnienia przy wyższych częstotliwościach uwarunkowany jest szybkością przeładowywania pojemności C1 w stopniu integratora Millera, pojemnościami montażowymi oraz wartością indukcyjności filtru dolnoprzepustowego.
Moc wyjściowa wzmacniacza przy obciążeniu 15Ω wynosi 2W.
Rys. 6. Schemat wzmacniacza klasy D według układu blokowego z rys. 4.
Bardziej interesującym rozwiązaniem jest przedstawiony na rys. 7 schemat wzmacniacza z zewnętrznym sprzężeniem zwrotnym. Sprzężenie wyjścia wzmacniacza z wejściem integratora Millera (poprzez opornik 560kΩ) pozwala otrzymać bez dodatkowego generatora przebiegi trójkątne wykorzystywane przy modulacji szerokości impulsów prostokątnych. Częstotliwość drgań zespołu jest uzależniona od wartości pojemności C1 i wynosi około 100kHz. W porównaniu z poprzednim układem pasmo przenoszenia jest znacznie szersze i wynosi 20Hz÷20000Hz, -2dB. Moc wyjściowa - 2W na oporze obciążenia 15Ω.
Rys. 7. Schemat ideowy wzmacniacza klasy D według układu blokowego z rys. 5.
Największą zaletą omówionych układów pracujących impulsowo jest duża sprawność. Dzięki temu można uzyskiwać znaczne moce wyjściowe przy wykorzystaniu w stopniu końcowym tranzystorów małej mocy. Wadą tego typu wzmacniaczy są zniekształcenia nieliniowe, większe niż we wzmacniaczach klasy A i B. Głównym źródłem tych zniekształceń jest stopień integratora Millera. Dlatego przy budowie należy zwrócić uwagę na wybór pojemności C1. Impulsy trójkątne powinny cechować duży stopień symetrii i dobra liniowość. Istotny jest również duży stopień symetrii tranzystorów stopnia mocy.
