Разбивка усилителей класса D
Что такое усилитель класса D?
Усилитель класса D - это в основном усилитель переключения или усилитель PWM. По сравнению с усилителями класса A, AB и B рассеиваемая мощность на выходе в усилителе класса D значительно ниже, что позволяет повысить эффективность этих усилителей выше 90%. Это различие дает существенные преимущества класса D в портативных аудиорешениях, поскольку меньшая рассеиваемая мощность уменьшает тепло, экономит пространство на печатной плате и продлевает срок службы батареи.
Усилитель класса D имеет следующие функциональные блоки:
Входной фильтр
Входной фильтр позволяет усилителю смещать входной сигнал на соответствующий уровень постоянного тока для оптимальной работы. Входной фильтр - это фильтр высоких частот, который исключает компонент постоянного тока из входного сигнала. Входной фильтр воздействует на низкочастотный полюс и коэффициент усиления и мощность выходного сигнала.
«Pwm amp» от Rohitbd на английском языке Wikipedia. Лицензируется под CC BY-SA 3.0 через Commons
интегратор
Интегратор выполняет математическую операцию суммирования входного напряжения и напряжения обратной связи. Интеграция схем усилителей влияет на низкочастотный полюс и ширину полосы выходного сигнала.
Справочный генератор
Схема эталонного генератора представляет собой схему делителя напряжения, которая генерирует два опорных напряжения для питания двух компараторов-усилителей в цепи управления h-мостом. Он также создает общее напряжение режима, которое управляет схемой интегратора. Чем ближе значения двух опорных напряжений, тем лучше полное гармоническое искажение (THD).
Power-на-Reset
При включении питания схема включения-выключения обеспечивает внутреннюю перезагрузку всех схем. Он также контролирует источники питания для ИС, и он отключает выходы и выдает сброс, когда напряжения ниже минимального рабочего диапазона. Схема питания при сбросе отвечает за питание в течение времени, которое требуется для переключения уровня до требуемого напряжения.
H-мост
H-Bridge состоит из пары PMOS и пары NMOS. Ворота этих четырех транзисторов управляются четырьмя выходами от контроллера H-Bridge. Цепи с полным H-мостом обычно работают от одного источника (VDD), причем земля используется для отрицательной клеммы питания (VSS). Для данного VDD и VSS дифференциальный характер моста означает, что он может доставлять вдвое больше выходного сигнала и в четыре раза больше выходной мощности однополярных реализаций. Одновременно включаются только два набора транзисторов из четырех. Это снижает потребление энергии и способствует эффективности усилителя.
Пропустить ток в H-Bridge
Проблема, называемая «стрельба», может снизить эффективность усилителей класса D и привести к потенциальному сбою в работе. Это происходит во время перехода, когда одно устройство отключается, а другое включено. Во время перехода оба устройства включены в течение очень небольшого промежутка времени, и большой импульс тока может протекать через два. Это можно устранить, управляя воротами полевых МОП-транзисторов с асимметричными квадратными волнами, используя два компаратора, так что одно устройство отключается до включения другого устройства.
Потери мощности в H-Bridge
Важным аспектом конструкции мостов на основе MOSFET является размер MOSFET. Оптимальный размер матрицы для минимальной потери мощности зависит от импеданса нагрузки, требуемой выходной мощности и тактовой частоты. Чем больше размер транзистора умирает, тем больше переключение и потеря затвора. Больший размер уменьшает потери проводимости. Потери проводимости МОП-транзита связаны с RDS (on), сопротивлением стока стока. RDS (on) зависит от температуры, увеличиваясь при увеличении температуры соединения (TJ). Во время работы усилителя ток разряда определяет потери проводимости, как показано в приведенном ниже уравнении:
P (проводимость) = (ID RMS) 2 • RDS (on)
Эффективность усилителя зависит от общих потерь мощности MOSFET. Потери мощности в МОП-транзисторах являются результатом потерь заряда на проводящих, коммутирующих и затворах, которые показаны соотношением в приведенном ниже уравнении:
Общая потеря мощности = P (переключение) + P (проводимость)
Чтобы минимизировать потери при переключении и искажения, используется схема включения питания. Срабатывание при включении питания становится высоким, если конденсатор уровня переключения не заряжен должным образом и наоборот.
Кроме того, потери мощности МОП-транзистора влияют на температуру перехода MOSFET TJ, так как большая часть потерянной мощности преобразуется в тепло. Температура перехода является важным конструктивным ограничением, так как она определяет размер используемого радиатора. Высокие потери мощности увеличиваются TJ и, следовательно, размер радиатора.
Управление H-Bridge
Управление H-мостом управляет входными напряжениями, которые должны быть применены через H-Bridge. H-мост имеет два компаратора: D триггеры и две полумостовые схемы коммутации, которые подают импульсы противоположной полярности к МОП-транзисторам. Два компаратора питаются от опорных напряжений от опорных генераторов. Они создают выходной сигнал прямоугольной формы, который подается на вход D-Flip-Flop. D-Flip-Flops действуют как защелка для выхода компаратора, чтобы синхронизировать его с одним синхронизирующим импульсом. Буферы предотвращают сброс уровня в цепь управления H-Bridge.
Уровень Shifter
Переключатель уровня управляет напряжением затвора PMOS. Схема включения-выключения отвечает за подачу напряжения в течение времени, которое требуется для переключения уровня до требуемого напряжения. Важно, чтобы входная емкость переключателя уровня была мала, чтобы минимизировать емкость затвора PMOS. Монтажная емкость MOSFET должна быть небольшой, чтобы минимизировать рассеивание мощности и нагрев в переключателе уровня, управляющем MOSFET.
Фильтр обратной связи
Схема фильтра обратной связи представляет собой систему пропорциональной обратной связи. Фильтры обратной связи используются, потому что усиление с высоким контуром улучшает искажение производительности, вызванное нелинейностью в прямом тракте, и уменьшает шум питания, увеличивая подачу питания (PSR). Напряжение обратной связи пропорционально разностному напряжению напряжений левого и правого узлов в H-Bridge.
Генератор часов
Схема генератора тактовых импульсов создает синхронизирующий сигнал (известный как тактовый сигнал и ведет себя как таковой), который используется для синхронизации работы схемы. Эта схема генерирует прямоугольный сигнал от 0V-5V. Частота этого прямоугольного сигнала действует как частота дискретизации входного сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем ниже искажение выходного сигнала.