Компоненты компании International Rectifier

Главная | Статьи | Компоненты компании IR | Компоненты для аудиоусилителей

Компоненты компании IR для аудиоусилителей

 

Современные интегральные аудиоусилители класса Д совмещают казалось бы несовместимое: высокий КПД и низкий коэффициент нелинейных искажений. В данной статье идет описания ряда приборов компании International Rectifier помогающих достигнуть таких высоких показателей.

Впоследнее десятилетие в схемотех­нике аудиоусилителей мощности по­лучило развитие два взаимоисключаю­щих направления:

  • уменьшение субъективного качест¬ва воспроизведения звука, как пра¬вило за счет уменьшение экономич¬ности (КПД) усилителя;
  • повышение экономичности усилите¬ля и уменьшение его размеров при сохранении высоких качественных показателей.

Первое направление характерно использованием мощных биполярных транзисторов или радиоламп Hi-End, работающих очень часто в линейном режиме и используются для построения аудиоусилителей класса А. Второе на¬правление характерно для носимой и стационарной звуковоспроизводящей аппаратуры. Именно в реализации дан¬ного направления широко используются аудиоусилители класса Д, а в высокока¬чественной звуковоспроизводящей ста¬ционарной аппаратуре класс Д исполь¬зуется чаще всего в усилителях для саб¬вуфера. Всего существует пять основных классов режима работы активных эле¬ментов (транзисторов или ламп). Это ре¬жимы работы класса А, В, АВ, С, Д.

В режиме работы ключа по классу А активный элемент, транзистор или лам­па, открыт весь период сигнала. Усили­тели мощности класса А вносят мини­мальные искажения в усиливаемый сиг­нал, но имеют очень низкий КПД. Они используются в однотактных или в двух­тактных усилителях звуковой частоты для среднечастотных динамиков, где осо­бенно важно, чтобы уровень нелиней­ных искажений был низким. По стоимос­ти усилители класса А самые дорогие. В режиме работы по классу Б актив­ный элемент транзистор открыт только один полупериод входного сигнала. Усилители класса Б имеют высокий КПД, но коэффициент гармонических искажений значительно ниже чем у класса А. В режиме работы по классу АБ ак­тивный элемент транзистор в этом ре­жиме открыт один полупериод пол­ностью и часть другого полупериода входного сигнала.

Блок схема аудиоусилителя класса Д

Рис.1.   Блок схема аудиоусилителя класса Д

 

Диаграмма работы аудиоусилителя класса Д

Рис.2.Диаграмма работы аудиоусилителя класса Д

 

Таблица 1

 

Режим класса АБ это нечто среднее между классами А и Б. Усилители класса АБ имеют более вы­сокий КПД, чем усилители класса А, но вносят в сигнал бо’льшие нелинейные искажения, чем усилители класса Б. В усилителях класса Д происходит преобразование аналогового сигнала в импульсы прямоугольной формы, дли­тельность которых пропорциональна значению сигнала в каждый заданный момент времени. После предваритель­ного усиления импульсы усиливаются оконечными (комплиментарными) тран­зисторами, которые работают на высо­ких частотах переключения (порядка нескольких килогерц) в такт с полезным цифровым сигналом. Известные достои­нства аудио усилителей выполненных по классу Д — высокий КПД и крайне низ­кий уровень нелинейных искажений. На рис. 1 представлена блок схема аудио-усилителя класса Д.

Принцип работы состоит в следую­щем: генератор прямоугольных импуль­сов выдает импульсы с фиксированной частотой которые поступают на интегра­тор, где преобразуются в треугольные или пилообразные импульсы, после чего поступают на один из входов компарато­ра. На другой вход компаратора посту­пает входной аудиосигнал от источника. На рис. 2 представлена диаграмма ра­боты аудиоусилителя класса Д.

На диаграмме работы аудиоусили-теля класса Д (см. рис. 2) по одному из входов компаратора поступают треу­гольные импульсы от генератора (синий цвет), а на другой вход подается аудио­сигнал, который необходимо усилить (красный цвет). Далее компаратор, если текущее значение уровня сигнала импульсов от генератора превышают значение уровня входного сигнала, переключа­ется в низкий логический уровень, ес­ли уровень импульса генератора меньше, чем аудио сигнал, то компа­ратор переключается в логическую единицу. Таким образом, на выходе компаратора мы получаем прямоу­гольный сигнал, ширина импульсов ко­торого зависит от амплитуды входного сигнала, а частота его равна частоте задающего генератора. Промодели­рованный сигнал поступает на усили­тель мощности, состоящий из полевых транзисторов, которые работают в ключевом режиме. Фильтр НЧ от­фильтровывает высокочастотную сос­тавляющую сигнала и восстанавлива­ет аналоговый сигнала, который и воспроизводится затем нагрузкой.

Аудиоусилитель, изготовленный по классу Д, теоретически предлагает иде­альные характеристики для усилителя: 100 % КПД, 0 % гармонического иска­жения и отсутствие шумов. Схема вы­полненная по данному стандарту пред­полагает менее габаритный усилитель, чем усилитель выполненный по классу А и Б, которые в незначительной степени превосходят по эффективности. Разработчику следует уделять особое внимание характеристикам источника питания и ключевым элементам. Как по­казывает практика, они могут ограни­чить работу схемы и существенно пов­лиять на работу усилителя в целом из-за наличия переменной составляющей и влияния паразитного диода.

При увеличении выходной мощнос­ти усилителя преимущество усилителя класса Д перед усилителями класса А и Б становятся все более выраженными. Несмотря на исторически сложившиеся схемы аудиоусилителя, проектирова­ние с использованием современной элементной базы аудиоусилителей класса Д предлагает отличное качест­во звука. Для получения оптимального значения качества звука рекомендует­ся выбирать ключи с минимальным зна­чением времени на переключение и за­ряд затвора. В табл. 1 приведен список транзисторов, рекомендуемых разра­ботчикам компанией International Rec­tifier для построения аудиоусилителей различной мощности.

Чтобы получить оптимальное значе­ние гармонического искажения ТНD, форма сигнала не должна содержать искаженную форму или шумы, а систе­ме управления необходимо обеспечи­вать подстройку времени переключения ключей относительно ШИМ-модулято-ра. На блок схеме рис. 1 это обеспечи­вает обратная связь по напряжению. Задержка при переключении ключей на выходе усилителя создает нелинейность из-за постоянного коммутационного то­ка. А при сокращении значения време­ни ожидания на переключение умень­шается коэффициент полного гармони­ческого искажения, однако, увеличива­ется опасность появления сквозного то­ка. Следует выбирать оптимальное зна­чение времени ожидания при переком­мутировании. Разработчик, проектиру­ющий аудиоусилитель, должен учиты­вать температурные режимы транзисто­ров, а также производить выбор того или иного типономинала в зависимости от значения сопротивления канала.

Современные драйверы компании International Rectifier с автоматической установкой времени переключения транзисторов и параметров защиты позволяют в зависимости от внешних условий автоматически перестраивать свои параметры. К такому роду драйве­ров   следует   отнести   аудиодрайвер IRS20124S, во время работы которого происходит компенсация температур­ного дрейфа элементов схемы. Это га­рантирует оптимальное значение вре­мени задержки на переключение тран­зисторов и, соответственно, гарантиру­ет низкий уровень гармонических иска­жений. Драйвер выпускается в миниа­тюрном корпусе SOIC-14. На рис. 3 представлена блок-схема драйвера IRS20124S.

 Блок схема драйвера для аудиоусилителя класса Д

Рис.3. Блок схема драйвера для аудиоусилителя класса Д компании International Rectifier

Для построения аудиоусилителей высокой эффективности рекомендуется использовать MOSFET транзисторы но­вого поколения. Обычно потери в клю­чах применяемых в усилителях класса Д состоят из потерь мощности на сопро­тивление канала при проводимости и потерь при переключении. Попытки производителей электронных компо­нентов минимизировать два данных па­раметра приводят к высоким требова­ниям к производству и, как следствие,— высокая цена транзистора. Например, большая площадь кристалла транзис­тора обеспечивает низкие потери на проводимость, поскольку он обладает низким значением сопротивления кана­ла проводимости в открытом состоянии RDS(on). Однако малая площадь крис­талла транзистора приводит к увеличе­нию значения времени на переключение и, как следствие, приборы облада­ют большими значениями потерь на пе­реключение. Для каждого усилителя яв­ляется оптимальным тот транзистор, ко­торый минимизирует полные потери при его работе.

Важность внимательного подбора параметров транзисторов увеличива­ется вместе с мощностью аудиоусили-теля. Например, транзистор IRF6645 в корпусе DirectFet является подходящим для класса Д усилителя в диапазоне мощности 100Вт. Характеристики дан­ного транзистора специально оптими­зированы для одновременного обеспе­чения высокого КПД усилителя, коэф­фициента нелинейных искажений и уменьшения общей плотности мощнос­ти. Немалый вклад в повышение качест­ва звучания аудиоусилителя вносит и сама технология корпусирования тран­зистора — DirectFET. Благодаря существенному снижению индуктивности вы­водов, значительно улучшаются харак­теристики переключения и снижение уровня помех в схеме. Тепловые харак­теристики транзисторов данного клас­са обеспечивают уверенную работу аудиоусилителя класса D при выходной мощности 100 Вт и нагрузки 8 Ом без применения радиаторов. Это обеспе­чивает значительное улучшение габа­ритов и массы усилителя, что, в свою очередь, ведет к снижению цены изде­лия и повышению конкурентноспособ­ности на рынке. Наиболее важными па­раметрами транзистора, определяю­щими качество звука в аудиоусилителе, являются сопротивление открытого ка­нала Rds(on) и заряд затвора Qg. При­менение данного транзистора позволя­ет разработчикам в 4 раза увеличить время переключения, поскольку тран­зисторы обладают высоким значением параметра dV/dt и на 9 Дб менее EMI составляющей, чем у транзисторов в корпусах TO-220.

Схема принципиальная аудиоусилителя класса Д 240Вт

Рис.4. Схема принципиальная аудиоусилителя класса Д 240Вт

 

Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности при напряжении питания ±25В

Рис.5. Зависимость коэффициента нелинейных искажений от мощности при напряжении питания ±25В

На рис. 4 представлена схема аудиоусилителя мощностью 240Вт, вы­полненного с применением драйвера IRS20124S и транзисторов IRF6645. По данной схеме компания планирует вы­пуск демонстрационного набора для ускорения освоения работы с драйве­ром. Это 120 Вт на канал, аудиоусили-тель без использования радиаторов для отвода тепла, с расположением эле­ментов на печатной плате только с од­ной стороны. Схема использует пассив­ный ШИМ-генератор и интегратор вто­рого порядка для усиления ошибки. Преимуществом этого генератора над существующими схемами является то, что частота перестраивается в полосе ошибки. Это является достаточным для ее исправления, потому что в случае ис­кажения входного сигнала скорректи­рованная форма сигнала передается на силовой полумост.

Выпуск демонстрационного набо­ра планируется в первой половине 2006 года. Плата набора учитывает все нюансы проектирования аудиоуси-лителей и показывает разработчику готовое решение для производства. Вообще в аудиоусилителях класса Д одним из основных источников шума является момент переключения тран­зисторов. В момент, когда ключ с высо­кой стороны открывается после ожида­ния на переключение транзисторов, паразитный диод нижнего ключа все еще поддерживает ток в индуктивнос­ти. Данный ток, замыкаясь на LC фильтр, генерирует высокочастотную составляющую и является ЕМI шумом. При проектировании платы следует из­бегать длинных связей от полумоста к фильтру, уменьшая длину проводников. Фильтр должен состоять из высокочас­тотного конденсатора.

Схема, приведенная на рис. 4, поз­воляет получить значение гармоничес­кого искажения менее чем 0.00 9 % при частоте коммутации 1кГц и выходной мощности 50 Вт на канал. С ростом частоты и мощности этот параметр по­вышается. На рис. 5 представлены гра­фики гармонического искажения, для приведенной схемы при различных зна­чениях питающего напряжения.
В настоящий момент International Rectifier выпускает демонстрационный комплект двухканального аудиоусили-теля класса Д — IRAUDAMP1. В каж­дом из двух каналов усилителя приме­няются силовые полевые транзисторы IRFB23N15D и 200-вольтовый драйвер IR2011S. Новый усилитель с аналого­вым входом развивает пиковую мощ­ность в каждом канале 500 Вт на наг­рузку 4 Ом. Для упрощения конструк­ции усилителя и его использования в его состав включены ШИМ-модулятор с развитыми функциями защиты и вспо­могательный источник питания. Демон­страционный набор аудиоусилителя IRAUDAMP1 (рис. 6) способен рабо­тать в широком диапазоне напряжений питания (от ±25 В до ±60) В. Он обеспечивает коэффициент нелиней­ных искажений всего 0.008 % на часто­ те 1 кГц при выходной мощности 100Вт на нагрузке 4 Ом и КПД 93 %. Схе­ма обеспечивает защиту усилителя от
перенапряжения и перегрузки по току, а также защиту динамиков от возмож­ности протекания постоянного тока и связанного с этим повреждения. Ис­пользование нового комплекта суще­ственно упрощает разработку высо­кокачественных аудиоусилителей
класса Д с гораздо более высоким КПД и уменьшает их площадь в нес­колько раз по сравнению с существу­ющими аналогами. Это позволяет ра­ботать в широком диапазоне напря­жений питания и строить усилители с выходной мощностью от десятков до
нескольких тысяч ватт, которые предназначенны для применения в бытовой и профессиональной аудиотехнике.

Внешний вид платы демонстрационного набора

Рис.6. Внешний вид платы демонстрационного набора IRAUDAMP1

 

Назад

© 2006 Integral