Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Wzmacniacze klasy D cz.7 - sposoby modulacji

Zgodnie z zapowiedzią z poprzedniego odcinka zaczniemy omawiać sposoby modulacji inne niż klasyczna PWM.
Article Image

Na początku pierwszego odcinka stwierdziliśmy, że we wzmacniaczu klasy D wypełnienie impulsów ma być wprost proporcjonalne do amplitudy wzmacnianego sygnału audio. A można to zrealizować na różne sposoby, niekoniecznie za pomocą stosunkowo prostej, „kanonicznej” modulacji PWM. Podstawowych sposobów jest kilka, a odmian tych kilku sposobów różniących się szczegółami – mnóstwo. Na rynku można znaleźć różne odmiany wzmacniaczy klasy D.

My będziemy omawiać tylko techniczny aspekt tej różnorodności. Ale w rzeczywistości dużą rolę odgrywają inne czynniki, w szczególności aspekty ekonomiczne oraz kwestie patentowe, które też mają ogromny wpływ na oferty poszczególnych producentów i na sytuację rynkową. W te skądinąd interesujące szczegóły nie będziemy się wgłębiać, a dociekliwi Czytelnicy samodzielnie mogą zbadać te kwestie.

Wzmacniacz samooscylujący - omówienie

Do tej pory omawialiśmy wzmacniacze klasy D w oparciu o klasyczne rozwiązanie z komparatorem i generatorem „trójkąta” albo „piły” według rysunku 1. Ale wzmacniacz klasy D nie musi mieć oddzielnego generatora przebiegu trójkątnego czy piłokształtnego, a wręcz żadnego generatora. Oczywiście musi zawierać jakiś komparator lub pokrewny układ, który da na wyjściu przebiegi impulsowe, prostokątne, potrzebne dla zespołu kluczy – MOSFET- ów. I tu dochodzimy do znanej od lat koncepcji samooscylującego wzmacniacza klasy D.

Rys.1 Wzmacniacz klasy D - rozwiązanie z komparatorem i generatorem „trójkąta” albo „piły”

Rozważania zacznijmy od popularnego generatora z pojedynczą bramką (inwerterem) Schmitta, czyli z obwodem histerezy na wejściu, którego przykład pokazany jest na rysunku 2a. Rozpatrzmy działającą dokładnie tak samo wersję zasilaną napięciem symetrycznym według rysunku 2b, której działanie jest identyczne. Zależnie od wartości napięcia wejściowego w punkcie A, na wyjściu mamy jeden z dwóch stanów (napięcia): albo „wysoki”, albo „niski”. To napięcie z wyjścia podawane jest przez rezystor sprzężenia zwrotnego R1 na wejście odwracające wyposażone w obwód zapewniający histerezę, gdzie włączony jest kondensator C1.

Rys.2 Trzy przypadki generatora z pojedynczą bramką (inwerterem) Schmitta

Dlatego zmiany napięcia w punkcie A mają kształt zbliżony do trójkąta. Gdy układ jest symetryczny, na wyjściu otrzymujemy przebieg prostokątny o wypełnieniu 50% i o częstotliwości zależnej od stałej czasowej RC i od wielkości histerezy. Gdy do takiego generatora dodamy rezystor wejściowy według rysunku 2c, otrzymamy modulator szerokości impulsów, a wręcz gotowy wzmacniacz klasy D! Zmiany napięcia wejściowego na pewno powodują potrzebną nam zmianę współczynnika wypełnienia, ale też nieco zmieniają częstotliwość, co jednak nie jest istotne.

Nie będziemy omawiać szczegółów, ale to kluczowa sprawa, więc jeżeli coś jest tu niejasne, koniecznie poszukaj samodzielnie wyjaśnienia działania takiego prostego generatora o modulowanym wypełnieniu.

I taka koncepcja bywa wykorzystywana w praktyce i to w różnych odmianach. Tylko zamiast bramek z histerezą są wykorzystywane komparatory oraz wzmacniacze operacyjne i transkonduktancyjne.

Rys.3 Wzmacniacze samoosculujące - różne przypadki

Możliwych rozwiązań jest mnóstwo. Rysunek 3 pokazuje przykłady. Wersje z rysunku 3a, 3b to ścisłe odpowiedniki rozwiązania z rysunku 2c, czyli wersje oscylatora z histerezą, realizowaną za pomocą dwóch rezystorów na wejściu „dodatnim” komparatora. Rysunek 3c przedstawia układ histerezowy z dodatkowym obwodem sprzężenia zwrotnego, zmniejszającym zniekształcenia.

Na rysunku 3d widoczna jest wersja bez histerezy, gdzie wykorzystany jest generator z trzystopniowym przesuwnikiem fazowym RC. Z kolei rysunek 3e pokazuje rozwiązanie bez histerezy i bez przesuwnika fazowego. Aby generator pracował, sprzężenie zwrotne musi być dodatnie, a tu uzyskiwane jest ono dla częstotliwości (nośnej) wyznaczonej przez układ opóźniający oraz przez obwody filtru LC i obwodu sprzężenia zwrotnego.

Rysunek 4 przedstawia dwie pokrewne propozycje z histerezą: z filtrem pierwszego i drugiego rzędu.

Rys.4 Wzmacniacze samooscylujące z histerezą (z filtrem pierwszego i drugiego rzędu)

Rysunek 5 pokazuje propozycję z przesuwnikiem fazowym (bez histerezy) i obwodem sprzężenia drugiego rzędu we wzmacniaczu. Jak widać, samooscylujący wzmacniacz klasy D nie musi mieć obwodu histerezy. Musi mieć komparator, na którego wyjściu uzyskamy impulsy prostokątne z modulacją PWM, sterujące bramkami wyjściowych tranzystorów MOSFET. A w pierwszym stopniu zamiast klasycznego wzmacniacza operacyjnego można i warto zastosować wzmacniacz transkonduktancyjny, czyli wzmacniacz operacyjny, mający wyjście prądowe, a nie napięciowe.

Rys.5 Wzmacniacz samooscylujący z przesuwnikiem fazowym i obwodem sprzężenia drugiego rzędu we wzmacniaczu

Na rysunku 6 widoczne są trzy wersje ze wzmacniaczem transkonduktancyjnym (OTA). Ta z rysunku 6a jest dokładnym odpowiednikiem wersji z rysunków 2c i 3a. Wzmacniacz transkonduktancyjny ma wyjście prądowe, więc zgodnie z rysunkiem 6b kondensator można przenieść z jego wejścia na jego wyjście prądowe, czyli dołączyć do końcówki oznaczonej COMP, gdzie też dołączone jest wejście komparatora. Napięcie na tym kondensatorze i wejściu komparatora będzie zmieniać się płynnie (przebieg zbliżony do trójkąta), stosownie do prądu wzmacniacza, który całkowany jest przez kondensator Cc.

Rys.6 Trzy wersje ze wzmacniaczem transkonduktancyjnym (OTA)

Dla znaczącego polepszenia właściwości takiego wzmacniacza warto rozbudować obwód sprzężenia zwrotnego wzmacniacza, na przykład według rysunku 6c, pochodzącego z noty aplikacyjnej Infi neon (International Rectifier) dotyczącej kostek IR43xx i systemu PowIRaudio™ Class D Amplifier.

Rys.7 Kostka - scalony samooscylujący wzmacniacz klasy D

Rysunek 7 pochodzi z katalogu International Rectifier (obecnie Infineon), a konkretnie z karty katalogowej IRS2092. Na schemacie wewnętrznym nie ma tu żadnego generatora/oscylatora, bo właśnie kostka ta jest scalonym samooscylującym wzmacniaczem klasy D. Typowy schemat aplikacyjny IRS2092 pokazany jest na rysunku 8. Rysunek 9 prezentuje fragment wewnętrznego schematu blokowego samochodowego wzmacniacza mocy NXP TFA9810 o mocy 2×12W. Kostka zawiera tylko komparator i może pracować albo jako wzmacniacz samooscylujący, albo z otwartą pętlą.

Rys.8 Typowy schemat aplikacyjny IRS2092

Niektóre schematy wzmacniaczy samooscylujących zupełnie nie przypominają wzmacniaczy klasy D. Przykładem może być pochodzący z roku 2006 dokument Philipsa UM10155 Discrete Class D High Power Audio Amplifier, zgodnie z nazwą opisujący wzmacniacz klasy D zrealizowany z elementów dyskretnych. Schemat niedawno zniknął spod adresu https://assets.nexperia.com/documents/user-manual/UM10155.pdf, ale plik PDF można znaleźć w innych miejscach. Zaproponowany tam schemat, pokazany na rysunku 10, niewielu elektronikom nasunąłby pomysł, że jest to wzmacniacz klasy D, a nie liniowy wzmacniacz klasy AB.

Rys.9 fragment wewnętrznego schematu blokowego samochodowego wzmacniacza mocy NXP TFA9810

We wzmacniaczach samooscylujących częstotliwość impulsów nie jest stała, a czas i wypełnienie impulsów, a nawet ich częstotliwość zmieniają się płynnie.

Ma to pewne zalety, ale też i wady. Dość istotną wadą jest to, że każdy wzmacniacz samooscylujący pracuje „w swoim własnym rytmie”, zależnym od szeregu czynników. We wzmacniaczu stereo albo wielokanałowym każdy z kanałów będzie miał inną, zmieniającą się w innym rytmie częstotliwość. Wprawdzie chodzi o częstotliwości oscylacji kilka(naście) razy wyższe niż granica pasma akustycznego, czyli absolutnie niesłyszalne.

Tak, ale mówimy o częstotliwościach potężnych impulsów. A w takiej sytuacji wskutek niewielkich nawet przesłuchów i nieliniowości łatwo o zdudnienie, czyli wytworzenie sygnałów, będących sumą i różnicą tych wysokich częstotliwości taktujących. A różnica tych częstotliwości zapewne będzie leżeć w zakresie pasma akustycznego. Oznacza to duże ryzyko wystąpienia w głośniku słyszalnych zakłóceń o zmieniającej się częstotliwości, co jest niedopuszczalne. Dlatego konstrukcja samooscylującego wzmacniacza kilkukanałowego stawia przed konstruktorem kolejne trudne wyzwania.

Rys.10 wzmacniacz klasy D zrealizowany z elementów dyskretnych

W przypadku klasycznych wzmacniaczy klasy D z modulacją PWM (i PDM) można bardzo łatwo synchronizować częstotliwości pracy wszystkich kanałów, stosując wspólny generator „trójkąta”. Wiele scalonych wzmacniaczy klasy D z klasyczną modulacją PWM ma wejścia/wyjścia pozwalające na taką synchronizację, co umożliwia bezproblemową realizację wzmacniaczy wielokanałowych. Możliwa jest też synchronizacja wzmacniaczy samooscylujących, co ilustruje przykład z rysunku 11.

Rys.11 Synchronizacja wzmacniaczy samooscylujących

Odnotujmy na koniec, że samooscylujące wzmacniacze klasy D są dostępne na rynku. Fotografia 12 pokazuje moduł wzmacniacza klasy D z kostką IRS2092, mający (deklarowaną) moc wyjściową do 700W/4Ω.

Fot.12 Moduł wzmacniacza klasy D z kostką IRS2092

Moduł ma rozmiary 17,8×7,6×4,3cm i można go kupić w cenie od 100zł. Na rynku jest wiele wzmacniaczy samooscylujących, zwłaszcza z kostką IRS2092, o mocach sięgających 2000W. Jednak nie jest to główny nurt rozwoju wzmacniaczy impulsowych.

Tematyka materiału: klasa D
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich luty 2020
Udostępnij
UK Logo