Klass D-förstärkare Drift och applikationer

I denna moderna värld är huvudmålet för ljudförstärkning i ett ljudsystem att noggrant återge och förstärka de givna ingångssignalerna. Och en av de största utmaningarna är att ha hög uteffekt med minst möjlig strömförlust som möjligt. Klass D-förstärkarteknik har en ökande inverkan på levande ljudvärlden genom att erbjuda hög effekt med noll effektförlust och mindre vikt än någonsin tidigare. Numera blir bärbara musikenheter mer populära med den växande efterfrågan på externa ljud i bärbara musikenheter.

Ljudförstärkning görs ibland med rörförstärkare, men dessa är skrymmande och passar inte för bärbara elektroniska ljudsystem. För de flesta behov av ljudförstärkning väljer ingenjörer att använda transistorer i linjärt läge för att skapa en skalad utgång baserat på en liten ingång. Detta är inte den bästa designen för ljudförstärkare eftersom transistorer i linjär drift kontinuerligt leder, genererar värme och förbrukar ström. Denna värmeförlust är den främsta anledningen till att linjärt läge inte är optimalt för batteridrivna bärbara ljudapplikationer. Det finns många klasser av ljudförstärkare A, B, AB, C, D, E och F. Dessa klassificeras i två olika driftlägen, linjär och växling.

Klass D förstärkare

Effektförstärkare i linjärt läge - klass A, B, AB och klass C är alla linjära modförstärkare som har en output som är proportionell mot deras input. Förstärkare i linjärt läge mättas inte, slås helt på eller slås helt av. Eftersom transistorerna alltid leder, genereras värme och förbrukar kontinuerligt kraft. Detta är anledningen till att linjära förstärkare har lägre effektivitet jämfört med omkopplingsförstärkare. Växelförstärkare klass D, E och F är omkopplingsförstärkare. De har högre effektivitet, vilket teoretiskt sett ska vara 100%. Detta beror på att det inte finns någon energiförlust för värmeavledning.

Vad är en klass D-förstärkare?

Klass D-förstärkare är en omkopplingsförstärkare och när den är i 'ON' -läge kommer den att leda ström men har nästan nollspänning över omkopplarna, därför försvinner ingen värme på grund av strömförbrukningen. När den är i läget “OFF” kommer matningsspänningen att gå över MOSFET , men på grund av inget strömflöde förbrukar ingen ström. Förstärkaren förbrukar endast ström under på / av-övergångarna om läckströmmar inte beaktas. Klass D-förstärkare som består av följande steg:

• PMW-modulator
• Omkopplingskrets
• Utgång lågpassfilter

Blockdiagram över klass D-förstärkare

PMW-modulator

Vi behöver ett kretsbyggnadsblock som kallas en komparator. En komparator har två ingångar, nämligen ingång A och ingång B. När ingång A är högre i spänning än ingång B, kommer utgången från komparatorn att gå till sin maximala positiva spänning (+ Vcc). När ingång A är lägre i spänning än ingång B, går utgången från komparatorn till dess maximala negativa spänning (-Vcc). Nedanstående figur visar hur komparatorn fungerar i en klass-D-förstärkare. En ingång (låt det vara ingång A-terminal) levereras med signalen som ska förstärkas. Den andra ingången (ingång B) levereras med en exakt genererad triangelvåg. När signalen är omedelbart högre i nivå än triangelvågen blir utsignalen positiv. När signalen är omedelbart lägre i nivå än triangelvågen blir utsignalen negativ. Resultatet är en kedja av pulser där pulsbredden är proportionell mot den momentana signalnivån. Detta kallas ”Pulsbreddsmodulering” eller PWM .

PMW-modulator

Växlingskrets

Även om utgången från komparatorn är en digital representation av ingångssignalen har den inte makten att driva belastningen (högtalaren). Uppgiften för denna omkopplingskrets är att ge tillräckligt med effektförstärkning, vilket är viktigt för en förstärkare. Omkopplingskretsen är generellt utformad med hjälp av MOSFET. Det är mycket viktigt att utforma att omkopplingskretsarna producerar signaler som inte överlappar varandra eller annars stöter du på problemet med att kortsluta din leverans direkt till marken eller om du använder en delad matning som kortsluter leveranserna. Detta är känt som en shoot-through, men det kan förhindras genom att införa icke-överlappande gate-signaler till MOSFET. Den icke-överlappande tiden är känd som Dead time. Vid utformningen av dessa signaler måste vi hålla dödtiden så kort som möjligt för att upprätthålla en exakt lågförvrängningssignal men måste vara tillräckligt lång för att bibehålla båda MOSFET: erna från att leda samtidigt. Tiden som MOSFET: erna är i linjärt läge måste också minskas, vilket hjälper till att försäkra att MOSFET: erna fungerar synkront snarare än att båda leder samtidigt.

För denna applikation måste ström-MOSFET användas på grund av effektförstärkningen i konstruktionen. Klass D-förstärkare används för sin höga effektivitet, men MOSFET har en inbyggd karossdiod som är parasitisk och gör att strömmen kan fortsätta att röra sig fritt under död tid. En Schottky-diod kan tillsättas parallellt med avloppet och källan till MOSFET för att minska förlusterna genom MOSFET. Detta minskar dess förluster på grund av Schottky-dioden är snabbare än kroppsdioden i MOSFET och säkerställer att kroppsdioden inte leder under dödtid. För att minska förlusterna på grund av hög frekvens är en Schottky-diod parallellt med MOSFET praktisk och nödvändig. Denna Schottky säkerställer att spänningen över MOSFETs innan den stängs av. Den totala driften av MOSFET: erna och utgångssteget är analog med driften av en synkron Buck-omvandlare . Ingångs- och utgångsvågformerna för omkopplingskretsen visas i figuren nedan.

Växlingskrets

Utgång lågpassfilter

Det sista steget i en klass D-förstärkare är utgångsfiltret som dämpar och tar bort övertonerna för kopplingssignalfrekvensen. Detta kan göras med ett vanligt lågpassfilterarrangemang, men det vanligaste är en induktans- och kondensatorkombination. Ett andra ordningsfilter önskas så att vi har en -40dB / Decade-avrullning. Gränsfrekvensen är mellan 20 kHz och cirka 50 kHz på grund av att människor inte kan höra något över 20 kHz. Figuren nedan visar andra ordningens Butterworth-filter. Den främsta anledningen till att vi väljer ett Butterworth-filter är att det kräver minsta mängd komponenter och har ett platt svar med en skarp avskärningsfrekvens.

Utgång lågpassfilter

Tillämpningar av klass D-förstärkare

Det är mer lämpligt för bärbara enheter eftersom det inte innehåller något extra kylflänsarrangemang. Så lätt att bära. Hög effekt D-förstärkare har blivit standard i många elektroniska konsumentapplikationer som

• TV-apparater och hemmabiosystem.
• Konsumentelektronik med hög volym
• Hörlursförstärkare
• Mobil teknik
• Bil

Således handlar det här om användning av förstärkare av klass D och applikationer. Vi hoppas att du har fått en bättre förståelse för detta koncept. Vidare frågor om detta koncept eller för att implementera några el- och elektronikprojekt , ge din feedback genom att kommentera i kommentarsektionen nedan. Här är en fråga till dig, Vilka tillämpningar har klass D-förstärkaren?