Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Wzmacniacze klasy D cz.6 - modulacja, BTL, PBTL

Dotychczas omówiliśmy podstawy budowy wzmacniaczy klasy D oraz główne problemy, występujące we wzmacniaczach klasy D. Jak na razie wnioski z przeprowadzonej analizy nie są zbyt optymistyczne. Wprawdzie na początku cieszyliśmy się, że teoretycznie wzmacniacz klasy D mógłby mieć sprawność 100%, ale czym bliżej poznawaliśmy ograniczenia, tym obraz sprawy stawał się mniej przyjemny. Część Czytelników zapewne będzie się słusznie zastanawiać: czy aby nie można tu czegoś znacząco zmienić i poprawić? Otóż można! I to na wiele sposobów.
Article Image

Modulacja impulsów - co należy wiedzieć?

Na razie tylko wstępnie zasygnalizuję temat: wiele można zmienić oraz poprawić, stosując modulację impulsów inną niż klasyczna PWM. Szczegóły będziemy dość dokładnie omawiać w następnych odcinkach, a teraz tylko jeden ważny fakt: stosując ulepszone, sprytne metody modulacji, można zrealizować wzmacniacz klasy D bez wyjściowego filtru LC, zachowując wysoką sprawność energetyczną. W praktyce wiąże się to z kolejną modyfikacją:

BTL - zalety mostkowych wzmacniaczy klasy D

Trzeba podkreślić, że jednym ze sposobów na uzyskanie lepszych rezultatów jest budowa mostkowych wzmacniaczy klasy D, czyli wzmacniaczy BTL (Bridge Tied Load).

Wiadomo, że wzmacniacz mostkowy BTL przy danym napięciu zasilania i danym obciążeniu może dostarczyć nie dwa, tylko cztery razy więcej mocy wyjściowej. Możliwość uzyskania stosunkowo dużej mocy wyjściowej przy niedużym napięciu zasilania pozwala na wykorzystanie w takich wzmacniaczach niskonapięciowych MOSFET-ów mocy o dobrych parametrach. We wzmacniaczach BTL na głośniku występuje różnica sygnałów wyjściowych obu kanałów BTL, dlatego jeżeli we wzmacniaczu mostkowym w obu kanałach występują jednakowe zniekształcenia czy zakłócenia, to następuje ich redukcja, kompensacja. Zmniejsza to zawartość nieparzystych harmonicznych.

Wcześniej mówiliśmy też, że wzmacniacz klasy D to rodzaj przetwornicy synchronicznej, w której następuje naprzemienne pompowanie porcji energii z jednej szyny zasilania do drugiej. W (dwutorowym) wzmacniaczu mostkowym łatwo zapewnić, by energia pompowana w danej połowie cyklu do jednej szyny zasilania była na bieżąco pochłaniana przez drugi tor wzmacniacza, który będzie od razu przekazywał ją w drugim kierunku. Czyli we wzmacniaczu mostkowym w ogóle nie ma (może nie być) problemu pompowania energii.

Rys.1 Fazy sygnałów audio we wzmacniaczach BTL

Rysunek 1 sygnalizuje dwie sprawy: we wszystkich wzmacniaczach BTL fazy sygnałów audio na obu wyjściach są przeciwne, co jest istotą koncepcji mostka. Ale we wzmacniaczach klasy D w obu torach wzmacniacza występują też przebiegi impulsowe i zależnie od rozwiązania i od potrzeb, różne mogą być zależności fazowe dotyczące właśnie tych przebiegów impulsowych, a nie sygnału audio.

Już intuicja podpowiada, że fazy impulsów powinny być przeciwne, choćby dla uniknięcia zjawiska pompowania. Ale nawet rysunek 1 sugeruje, że schematy modulacji mogą być różne. W jego dolnej części przedstawione są dwa przykłady opisane jako zgodne i przeciwne fazy impulsów. Zielone przebiegi mają tylko ilustrować zasadę, ale w rzeczywistości możliwych jest wiele sposobów realizacji zgodnej i przeciwnej fazy. A jak się jeszcze okaże, w „dwutorowych” wzmacniaczach BTL po prostu łatwiej jest zrealizować niektóre specyficzne, interesujące sposoby modulacji, a niektóre schematy modulacji są możliwe tylko we wzmacniaczach BTL.

Nic dziwnego, że zdecydowana większość scalonych wzmacniaczy klasy D to wzmacniacze mostkowe.

Zalety wzmacniaczy PBTL

Wzmacniacz mostkowy z założenia może dostarczyć czterokrotnie większą moc niż wzmacniacz pojedynczy, ponieważ na głośniku występuje różnica napięć między wyjściami dwóch kanałów, co podwaja napięcie na obciążeniu – głośniku. Dwukrotnie wyższe napięcie wyjściowe oznacza też dwukrotnie większy prąd.

We wzmacniaczach klasy D zwiastuje to pewien problem: wcześniej mówiliśmy, że dla zwiększenia szybkości przełączania dobrze jest stosować w stopniu wyjściowym MOSFET-y o możliwie małej pojemności, czyli o możliwie małej powierzchni struktury. Wskazuje to, że w scalonych wzmacniaczach klasy D stopień wyjściowy powinien być projektowany bez zapasu, do konkretnej rezystancji obciążenia, a więc i do określonego prądu wyjściowego. I rzeczywiście tak jest.

Dlatego dla wzmacniaczy klasy D często określa się minimalną, zalecaną oporność głośnika. Jeśli ktoś z danego mostkowego wzmacniacza chciałby uzyskać jeszcze większą moc przez zastosowanie głośnika o mniejszej oporności, może napotkać problemy wynikające z właściwości tranzystorów.

Rys.2 Cztery jednakowe tory wzmacniacza klasy D różnie wykorzystane 

W przypadku wzmacniaczy klasy D rozwiązaniem jest... równoległe łączenie torów dla zwiększenia wydajności prądowej. Nie jest to możliwe w przypadku klasycznych, liniowych wzmacniaczy klasy AB, ponieważ już niewielkie różnice między torami przekreśliłyby sens takiej operacji. Nie ma żadnego problemu w przypadku wzmacniaczy klasy D z filtrami wyjściowymi, ponieważ cewka filtru ma właściwości źródła prądowego i równoległe łączenie torów jest możliwe i ma sens. Cztery jednakowe tory wzmacniacza klasy D można wykorzystać różnie, co ilustruje w uproszczeniu rysunek 2.

Przy samodzielnych eksperymentach trzeba także uwzględnić fazy przebiegów, zarówno audio, jak i impulsów.

Konstruowane są też wielokanałowe scalone wzmacniacze klasy D, których kanały mogą być konfigurowane w taki sposób. Można zajrzeć na stronę: www.lyontek.com.tw/sc/dhighpower.html, gdzie dostępne są karty katalogowe takich uniwersalnych wzmacniaczy. Fragment schematu wzmacniacza PBTL mono na kostce LY8361 pokazany na rysunku 3 świadczy, że cewki są tylko dwie, a wyjścia są zwarte bezpośrednio „przed filtrem LC”. Coś takiego jest możliwe, ale tylko w niektórych scalonych wzmacniaczach.

Rys.3 Fragment schematu wzmacniacza PBTL mono na kostce LY8361

Podobnie można zrealizować wzmacniacz mono PBTL w niektórych wzmacniaczach klasy D produkcji Texas Instruments. Rysunek 4 pochodzi z karty katalogowej popularnych kostek TPA3116D2, TPA3118D2, TPA3130D2 i pokazuje sposób łączenia wersji PBTL. Układy te mają dodatkowo obwody wykrywania zwarcia wejść INPL, INNL do masy, co włącza tryb pracy mono PBTL.

Trzeba podkreślić, że bezpośrednie łączenie wyjść „przed filtrem” jest możliwe tylko w niektórych kostkach, a w innych grozi uszkodzeniem wyjść. Szczegółów trzeba szukać w katalogu. Bezwzględnie bezpieczny jest tylko sposób z rysunku 2.

Rys.4  Sposób łączenia wersji PBTL - kostki TPA3116D2, TPA3118D2, TPA3130D2

Podobnie w kartach katalogowych należy szukać wskazówek odnośnie do konfiguracji wejść. Stosowane są różne rozwiązania. Ale bardzo często, prawie zawsze, scalony wzmacniacz klasy D ma symetryczne wejście. Jest to bardzo ważne właśnie, choć nie tylko we wzmacniaczach klasy D, ale też we wszelkich układach cyfrowych i impulsowych, gdzie płynące prądy mają kształt impulsów, co wywołuje spadki napięć w obwodach masy. Obecność wejścia różnicowego (symetrycznego) pozwala uniknąć problemu spadków napięć w obwodach masy, co umożliwia zmniejszenie zniekształceń i uniknięcie różnych zakłóceń.

Rys.5 Niesymetryczne źródło sygnału - symetryczne wejścia dla zmniejszenia zakłóceń i zniekształceń

Należy podkreślić, że o ile tylko źródło sygnału, na przykład moduł Bluetooth, ma symetryczne wyjście sygnału audio, to obowiązkowo należy wykorzystać linię symetryczną. Nawet gdy źródło sygnału ma pojedyncze wyjście (niesymetryczne), też warto wykorzystać symetryczne wejście, a dla zmniejszenia zakłóceń i zniekształceń połączenia zrealizować według rysunku 5.

W następnym odcinku zaczniemy omawiać sposoby modulacji inne niż omówiona wcześniej klasyczna modulacja PWM.

Tematyka materiału: Wzmacniacze klasy D, BTL, PBTL
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich grudzień 2019
Udostępnij
UK Logo