Lektsionnye_materialy_osen_2013 (1) / 27 Оконечные усилители класса D

27 Оконечные усилители класса D

Главным достоинством режима D является его способность обеспечить в УМ КПД, приближающееся к предельно достижимому значению 100%. Благодаря этому оказывается возможным создание в УМ больших сигнальных мощностей в условиях малого тепловыделения и, соответственно, с помощью аппаратуры, имеющей малые габариты. Например, известны конструкции усилителей аудио сигналов с выходной мощностью порядка 1…2 кВт и занимающих объемом 2…3 дм³.

В режиме D усилительный прибор работает как ключ, нечувствительный к изменениям мгновенных значений аналогового сигнала. Для того, чтобы выходной сигнал УМ отражал текущие изменения усиливаемого сигнала u(t) последний перед подачей на управляющей вход УП подвергается преобразованию, называемому широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). После этого преобразования управляющий сигнал состоит из последовательности прямоугольных импульсов с неизменной амплитудой, но переменной длительностью t_и, пропорциональной текущему значению сигнала u(t) (рисунок 8). Работа УП в ключевом режиме с сигналами такого типа называется аналого-дискретным режимом.

Рисунок 8. Принцип широтно-импульсной модуляции

Обычно при формировании ШИМ последовательности период Т следования импульсов поддерживается неизменной, при этом частота f_T = 1/T  следования импульсов выбирается существенно больше чем верхняя граница f_в  в спектре усиливаемого сигнала.

На рисунке 9 приведена схема выходной цепи каскада УМ, работающего в режиме D. В этой схеме транзистор представлен в виде идеального ключа А, входящего в последовательное соединение нагрузки R₁, дросселя L и источника питания Е₁. В ходе усиления сигналов ключ А замыкает цепь в моменты наличия импульса ШИМ на его входе, вызывая протекание тока i(t) со средним значением на интервале Т, пропорциональным текущей длительности импульса ШИМ. В результате этого средние значения сигнального тока i(t), протекающего через нагрузку R₁ оказывается пропорциональными текущим значениям усиливаемого сигнала u(t). Диод VD создает путь протекания токов самоиндукции через нагрузку в моменты «размыкания» ключа, благодаря чему в коллекторной цепи транзистора ЭДС самоиндукции имеет малые значения, а ток нагрузки остается практически неизменным на всем интервале Т (путь протекания тока через дроссель L при замкнутом ключе отмечен на рисунке 9 сплошной линией, а при разомкнутом – пунктирной). Дроссель L совместно с фильтрующим конденсатором С₁ играют роль ФНЧ, обеспечивающего выделение текущего среднего значения тока i(t). Следует отметить, что дроссель L является высокоомной нагрузкой для УП, благодаря чему напряжение на УП в моменты протекания через него тока близко к нулевому значению. В результате средняя мощность, идущая на нагрев транзистора р_t = U_нас i(t) имеет предельно малую величину.

Рисунок 9. Принцип реализации выходного каскада в классе D

Недостатком построения УМ является то, что при его применении как усилителя знакопеременного сигнала оконечный каскад УМ в исходном состоянии (при отсутствии усиливаемого сигнала) потребляет от источника питания большой ток. Связано это с тем, что для обеспечения двунаправленных изменений длительностей импульсов в ШИМ последовательности исходное значение этой длительности t_и должно составлять половину периода Т их следования. Указанного недостатка лишены усилители класса D, построенные по двухтактной схеме, при которой в исходном (досигнальном) режиме выходной каскад работает без потребления тока от источников питания.

Принципы организации схемы, обладающей указанным свойством, иллюстрирует рисунок 10. Схема включает две комплементарные ключевые цепи, работающие на общую нагрузку R₁. Транзисторы, выступающие в роле ключей А и В, имеют разные типы проводимостей, при этом ключу А соответствует транзистор п-р-п типа, а ключевому элементу В – транзистор р-п-р типа. Работа схемы требует формирования двух противоположных по полярности управляющих ШИМ сигналов. Для их формирования в схеме должны присутствовать два ШИМ модулятора, на входы которых поступает усиливаемый сигнал u(t). Схемы модуляторов выполнены таким образом, что один из них формирует управляющие импульсы только для положительных полярностей сигнальных изменений u(t), а второй – только для отрицательные. На рисунке 10 направления протекание тока через дроссель L, отвечающие положительным значениям усиливаемого сигнала u(t), отмечено стрелками. При этом стрелка, нанесенная сплошной линией, соответствует моментам, когда ключ А замкнут, а пунктирной – когда он разомкнут.

Рисунок 10. Двухтактная схема класса D

Усилителям класса D присущ ряд недостатков. Эти УМ обладают невысоким быстродействием, т. е. они не способны усиливать сигналы с повышенным значением верхней границы f_в спектрального диапазона. Указанные частотные ограничения обусловлены необходимостью при выборе значения индуктивности L одновременного выполнения двух взаимно противоположных требований. Дроссель L входит в состав ФНЧ, препятствующего проникновению коммутационных сигналов частоты f_T в нагрузку, где f_T = 1/ Т – частота следования импульсов в ШИМ последовательности (частота коммутации). С точки зрения снижения этого проникновения необходимо, чтобы индуктивность дросселя имела по возможности большее значение, т. е. частота среза f_ср ФНЧ, образованного с участием этого дросселя, была бы существенно меньше частоты f_Т. Но, с другой стороны, – увеличение индуктивности L снижает верхнюю границу полосы пропускания оконечного каскада на уровне –3 дБ до значения f_ср. Попытка преодоления рассмотренного противоречия путем увеличения частоты f_Т приводит к необходимости применения быстродействующих (высокочастотных) транзисторов, решению проблемы снижения паразитных емкостей, шунтирующих цепи коммутации, применению транзисторных ключей с малым временем переключения. Кроме того, увеличение частоты f_Т вызывает пропорционально увеличению частоты f_Т возрастание мощности коммутационных потерь. Последнее связано с тем, что при неидеальных коммутационных процессах входящее в (1.8) произведение u(t)i(t) становится отличным от нуля.

К недостаткам усилителей класса D также относится то, что их работа сопровождается повышенным уровнем помех, возникновение которых обусловлено коммутационными процессами. Не смотря на указанные недостатки, усилители этого класса находят широкое применение в устройствах автоматики. Последнее время в связи с появлением мощных быстродействующих ключей усилители класса D стали применяться как мощные усилители аудио сигналов.