Усилители класса D компании Texas Instruments

Евгений Звонарев (КОМПЭЛ)

Разработчики  портативной  аудиотехники,  бытовых  аудиосистем,  систем  охраны  и  звукового  оповещения  широко  используют  интегральные усилители  звуковой  частоты класса D. Компания Texas  Instruments является одним из признанных мировых лидеров в производстве микросхем этого типа.

Традиционные аудиоусилители классов А, В и АВ для мобильных устройств с автономным питанием уже давно перестали устраивать разработчиков из-за их низкого КПД и, как следствие, высокого расхода энергии батареи или аккумулятора. Усилители класса D имеют гораздо более высокий КПД, поэтому именно они наилучшим образом удовлетворяют предъявленным требованиям к современной портативной технике. Эти усилители применяются и в стационарной технике (телевизоры, персональные компьютеры, домашние или автомобильные стереосистемы и даже мощная усилительная техника для театров и концертных залов) благодаря уменьшению габаритов, веса и цены при сопоставимых параметрах качества с приборами предыдущих поколений классов А, В и АВ. Достижения полупроводниковой технологии последних лет позволили компании Texas Instruments разработать микросхемы для создания высококачественных усилителей звуковой частоты класса D с максимальной выходной мощностью от единиц до нескольких сотен Вт.

Рассеиваемая мощность усилителя, работающего в классе D, существенно меньше, чем у аналогичных приборов класса АВ, работающих в тех же режимах. Это проиллюстрировано на рис. 1 (в качестве примера взята микросхема Texas Instruments TPA2012D2, предназначенная для усилителей портативной техники).

Рис. 1. Мощности, рассеиваемые усилителями классов АВ и D при одинаковых режимах измерения

Из рисунка 1 хорошо видно, что при одинаковой выходной мощности усилитель класса D имеет потери мощности в несколько раз меньшие по сравнению с аналогичными усилителями класса АВ во всем диапазоне выходных мощностей. Наибольший выигрыш получается при средней выходной мощности. Именно в этом режиме чаще всего и используется аппаратура для воспроизведения звука. Отмеченные свойства дополняет рис. 2, иллюстрирующий зависимости КПД от выходной мощности этих же усилителей при режимах измерения, аналогичных рис. 1. При малой и средней мощностях КПД усилителя класса D в два-три раза выше, чем у усилителя класса АВ.

Рис. 2. Зависимости КПД от выходной мощности для усилителей класса D и класса АВ при одинаковых режимах измерения

Сравнение эффективности и рассеиваемой мощности для усилителей с очень низкой выходной мощностью может оказаться не в пользу усилителей класса D из-за относительно высокой мощности высокочастотного модулятора, преобразующего аналоговый сигнал в прямоугольные импульсы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). По этой причине линейные усилители класса АВ при очень низких выходных мощностях иногда оказываются предпочтительнее класса D. Принцип работы простейшего усилителя класса D без обратной связи поясняет рисунок 3.

Рис. 3. Структурная схема усилителя класса D без обратной связи

Входной сигнал предварительного усилителя модулируется треугольными колебаниями для преобразования в широтно-модулированные импульсы, которые усиливаются выходным каскадом, работающим в ключевом режиме. Далее LC-фильтр низких частот интегрирует импульсы разной длительности и срезает высокочастотные составляющие спектра, оставляя только выделенный сигнал звуковой частоты. Осциллограммы процесса ШИМ для усилителя класса D, выполненного по мостовой схеме, приведены на рис. 4. Модуляция в усилителях класса D может осуществляться разными способами, но наиболее распространена именно ШИМ.

Рис. 4. Осциллограммы ШИМ в мостовом усилителе класса D

Звуковой сигнал сравнивается с сигналом пилообразной или треугольной формы фиксированной частоты. Первый усилитель на рисунке 3 необходим для предварительного усиления и смещения сигнала до нужного уровня. Второй усилитель и генератор треугольного напряжения образуют модулятор ШИМ. На рисунке 4 длительность широтно-модулированных импульсов пропорциональна уровню входного аналогового сигнала. Мостовой схеме необходимы импульсы ШИМ противоположной полярности для управления другим плечом моста. На рисунках 3 и 4 показаны упрощенные варианты схем. В реальных схемах усилителей класса D обязательно вводятся формирователи времени паузы между импульсами для исключения одновременного включения двух выходных транзисторов и устранения сквозных токов. Частота модуляции и среза низкочастотного фильтра обычно выбирается в несколько раз больше верхней граничной частоты пропускания усилителя. К выбору элементов LC-фильтра необходимо относиться очень внимательно. Этому вопросу уделяется особое внимание в документации производителя и руководствах по применению.

Texas Instruments выпускает микросхемы для создания усилителей класса D низкой, средней и высокой мощности. Параметры для усилителей класса D низкой мощности приведены на рис. 5 и в табл. 1.

Рис. 5. Микросхемы для усилителей класса D с низкой и средней выходной мощностью

Таблица 1. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c низкой и средней выходной мощностью (аналоговый вход) 

В первую очередь эти микросхемы предназначены для встраивания в мобильные устройства. Подавляющее большинство таких усилителей расчитано на напряжение питания от 2,5 до 5,5 В, но микросхема одноканального усилителя TPA2013D1 имеет расширенный диапазон напряжений питания от 1,8 до 5,5 В благодаря встроенному повышающему DC/DC-преобразователю (Boosted DC/DC). Это позволило обеспечить постоянство выходной мощности при всем диапазоне рабочих напряжений питания по сравнению с обычными усилителями класса D, что наглядно проиллюстрировано на рис. 6.

Рис. 6. Зависимости выходной мощности для TPA2013D1 и для обычных усилителей класса D

При выходной мощности около 1,5 Вт в диапазоне напряжений питания от 2,3 до 4,8 В характеристика находится в пределах ±0,1 Вт. Большинство обычных усилителей этого класса имеют практически линейную зависимость максимальной выходной мощности от напряжения питания. Преимущество усилителей со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем – возможность работы при гораздо более низком напряжении питания батареи (или при ее более глубоком разряде), что повышает степень использования автономного источника питания.

Структурная схема микросхем TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-конвертером показана на рис. 7.

Рис. 7. Структурная схема TPA2013D1 и TPA2014D1 со встроенным повышающим DC/DC-преобразователем

В микросхемах предусмотрена защита от нежелательных переключений при коммутации повышающего DC/DC-преобразователя. Встроенный стабилизатор обеспечивает стабильность характеристик в широком диапазоне напряжений питания. При необходимости выход повышающего DC/DC-преобразователя можно использовать для питания маломощных дополнительных схем портативного устройства. Если внимательно посмотреть на параметр PSSR (коэффициент подавления помех по цепям питания) в табл. 1, то бросается в глаза, что именно усилители со встроенными повышающими DC/DC имеют существенно лучшие значения этого параметра (91...95 дБ) по сравнению с остальными усилителями этого класса.

Среди усилителей с низкой и средней выходной мощностью есть и специализированный для работы на пьезокерамический излучатель с допустимой емкостью до 1,5 мкФ. При этом размах выходного напряжения на емкостной нагрузке достигает 19 В (от пика до пика) при минимально допустимом напряжении питания всего 2,5 В. Необходимо обратить внимание, что параметр (THD + N), характеризующий суммарные гармонические искажения вместе с шумовыми составляющими, измеряется на частоте 1 кГц при половине мощности от допустимого максимального значения.

На рис. 8 приведен навигатор для выбора микросхем усилителей класса D высокой мощности (отсчет высокой мощности для этого класса усилителей Texas Instruments начинает с 3 Вт).

Рис. 8. Микросхемы для усилителей класса D высокой мощности 

Основные параметры этих микросхем сведены в табл. 2. Некоторые из микросхем, приведенных на рис. 8 и в табл. 2, относятся только к анонсированной продукции, поэтому возможность поставки образцов необходимо проверять на сайте производителя.

Таблица 2. Микросхемы Texas Instruments для усилителей класса D c высокой выходной мощностью (аналоговый вход)

Продолжение статьи ...