Многоканальная усилительная структура в УМЗЧ класса D

Среди важных параметров, рассматриваемых автором в мно­гоканальных усилительных структурах (МКУС), — задержка кор­рекции выходного сигнала по петле обратной связи, а в УМЗЧ класса D она нередко достигает периода переключения транзис­торов выходного каскада, т. е. десятка микросекунд. Включение экономичного усилителя мощности класса D в МКУС способству­ет улучшению его параметров во всей полосе звуковых частот и подавлению внеполосных помех и наводок.

В этой статье продолжается тема многоканальных усилительных структур (МКУС) в УМЗЧ и реализации критериев отрицательной обратной связи (ООС). Она представляет собой логическое продолжение двух предыду­щих публикаций [1, 2]. Здесь описана версия усилителя мощности класса D и рассмотрена специфика его примене­ния в УМЗЧ на основе МКУС.

Как уже отмечалось в предыдущих публикациях, в частности в [3], усили­тели, в которых реализованы предель­ные параметры ООС, имеют малые нелинейные искажения, связанные в основном с особенностями монтажа. Именно ООС и является ключевым фак­тором, определяющим качественные характеристики УМЗЧ, однако во мно­гих усилителях максимизация глубины ООС, минимизация времени реакции по петле ООС (ВРП ООС) реализованы недостаточно хорошо.

Если рассматривать эти два ключе­вых критерия, то с их реализацией в усилителях класса D дела обстояли до недавнего времени очень плохо. При­чина — задержка в петле ООС на время, равное периоду тактовой часто­ты, и наличие LС-фильтра низких частот (ФНЧ) на выходе усилителя. Кроме того, относительно большим получает­ся и коэффициент деления в цепи ООС, задающий усиление УМЗЧ. Это ведёт к тому, что точность и эффективность работы ООС в усилителе (как системе автоматического регулирования) дале­ки от достижимых пределов.

Следует отметить, что в последнее десятилетие популярность усилителей класса D заметно выросла, и во многом это обусловлено ростом качества этих усилителей при их высокой экономич­ности. Заметную роль в этом сыграли новая элементная база и схемотехника [4]. Это позволило улучшить действие ООС и, как следствие, качественные характеристики УМЗЧ в целом.

Надо заметить, что сама идея полу­чения высококачественного усиления в усилителе класса D достаточно пробле­матична. Мощные импульсы тока и напряжения плохо соседствуют с мало­сигнальным входным каскадом. Ради­кально улучшить параметры именно са­мого усилителя, работающего в режиме класса D, очень сложно. Это связано с основным принципом работы такого усилителя.

Совсем другое дело, если парамет­ры мощного усилителя класса D улуч­шать с помощью других усилителей в МКУС. В этом случае можно использо­вать упрощённые версии усилителей класса D. Хорошим вариантом здесь может быть автоколебательный на частоте переключения (Self-Oscillating) усилитель на основе контроллера ШИМ (PWM) IRS2092 [5]. Он имеет внешние цепи ОС и управляет мощными пере­ключательными транзисторами (напри­мер, в сборке IRFI4019 [6]), осуществ­ляя управление мощностью, подводи­мой к нагрузке, изменением скважности импульсов.

Существуют два принципиально раз­ных варианта включения ООС в подоб­ных усилителях. Первый — когда ООС снимается с выхода до ФНЧ, а второй — после фильтра. Принято считать, что ООС, не охватывающая выходной ФНЧ, более «правильная» [5]. Однако пред­почтения именно по качеству звука обычно отдаются усилителям, в которых этот фильтр включён в петлю обратной связи.

Если проанализировать эффектив­ность работы обратной связи, подклю­чённой до ФНЧ, то окажется, что в точке подключения выше названные парамет­ры находятся на относительно высоком уровне [5]. В основном это обусловлено значительным запасом усиления и относительно высоким быстродействи­ем. Сам усилитель в этом случае пред­ставляет собой релаксационный гене­ратор.

Однако весьма радужную картину здесь сильно портит именно выходной ФНЧ. Этот фильтр, выполненный с применением ферромагнитных мате­риалов, находится вне петли ООС и проявляет заметную нелинейность. В дополнение к этому такой фильтр на частоте среза может проявлять резо­нансные свойства при повышенном импедансе нагрузки; в этом случае контроль сигнала на выходе усилителя ухудшается. Эффективность и точ­ность работы ООС, охватывающей и выходной фильтр, становятся хуже вследствие вносимой фильтром за­держки.

Частота переключения и сам режим автоколебаний в усилителях класса D находятся в зависимости от места под­ключения ОС. Быстродействующая ОС (взятая до выходного фильтра) может обеспечить высокую частоту переключения в усилителе. Если же цепь общей ОС подключена после фильтра, эта частота получается существенно ниже (в несколько раз).

Общая ООС, не охватывающая вы­ходной фильтр, контролирует скваж­ность сигнала, незначительно понижая тактовую частоту на больших амплиту­дах сигнала. В случае же охвата ФНЧ петлёй общей ООС скважность сигнала заметно изменяется, существенно по­нижая частоту переключения, особен­но при больших индексах модуляции. При этом проявляются недостатки в виде пониженного быстродействия (из-за выходного ФНЧ) и ограничения усиления в петле, чтобы создать прио­ритет работы ПОС на частотах в сотни килогерц.

Итак, обобщив выше сказанное, можно подытожить, что целесообразно объединение достоинств этих двух вариантов ОС.

Уровень паразитных колебаний на выходе УМЗЧ класса D сильно зависит от частоты переключения. Из-за нали­чия выходного ФНЧ в виде реактивного звена второго порядка уровень сигнала на выходе типового УМЗЧ обратно про­порционален квадрату его частоты. Для усилителя класса D в составе МКУС важно, чтобы этот паразитный сигнал был как можно меньше — его проще подавить.

Быстродействие УМЗЧ класса D, выражаемое через ВРП ООС и приня­тое нами для анализа МКУС, сущест­венно зависит от частоты переключе­ния, поэтому важно иметь её более высокой. На рис. 1 приведены струк­турные схемы усилителей класса D для высокоомного источника сигнала с различными вариантами ОС примени­тельно к выше упомянутой микросхеме IRS2092 и транзисторной сборке IRFI4019. Так, на рис. 1, а представлена структура УМ с ОС, охватывающей выходной фильтр, за которой закрепи­лась аббревиатура UcD. На рис. 1, б показана похожая структура ОС, но с дополнительной цепью ВЧ-коррекции, а на рис. 1, в — аналогичная ОС с дополнительным резистором ООС. Для удобства рассмотрения позиционные обозначения элементов в структурных схемах соответствуют тем, которые выполняют аналогичные функции в более полной принципиальной схеме узла МКУС.

Рис. 1

На звуковых частотах (и на частоте среза выходного ФНЧ) сигнал с выхо­да усилителя (см. рис. 1, а) сильно ослабляется делителем R9R10, причём R9˃˃R10. Однако на частотах выше 200 кГц ослабление сигнала, приходя­щего по петле ОС, незначительное, что связано с проходом ВЧ-сигнала через конденсатор ВЧ ОС С5. Этим создают­ся условия для режима генерации на частоте около 300 кГц. В данной версии ОС тактовую частоту заметно выше 300 кГц получить сложно.

Но эту ОС возможно дополнить ВЧ- фильтром R12С7 (см. рис. 1,6). Он про­пускает сигналы частотой выше 400 кГц. На более низких частотах дей­ствует делитель напряжения R11R12, причём R11<<R12. К этому фильтру и подключён конденсатор С5 ОС на ВЧ. Этим создаются приоритетные условия для режима генерации на частотах выше 400 кГц. Следовательно, в этом варианте ОС частота переключения близка к 450 кГц.

На рис. 1, в показана структура ОС, которая в целом аналогична структуре на рис. 1, б, но имеет дополнительный резистор ООС R15, который подключён до фильтра. Быстродействующая до­полнительная ОС через резистор R15 ускоряет переключение мощных тран­зисторов выходного каскада, и при указанных номиналах элементов ОС тактовая частота достигает 600 кГц.

Также следует сказать о выборе напряжения питания усилителя мощно­сти. Для усилителя класса D напряже­ние питания нужно выбрать немного больше максимальной амплитуды вы­ходного напряжения ЗЧ, а контроль выходной амплитуды следует организовать в одном из предыдущих узлов так, чтобы ограничение сигнала в УМЗЧ не приводило к резким изменениям частоты генерации и индекса модуля­ции при перегрузке усилителя большим уровнем входного сигнала. Сам усили­тель класса D при такой перегрузке будет продолжать работать в линейном режиме.

Итак, с учётом изложенных выше особенностей обсуждаемый усилитель класса D обладает отнюдь не предель­ными по качеству звуковоспроизведе­ния техническими характеристиками. Но здесь главное то, что ООС в нём контролирует сигнал именно на выходе усилителя, а уровень побочных сигна­лов относительно мал. Поэтому такой усилитель класса D может быть допол­нен другими усилителями (усилитель­ными каналами) для достижения пре­дельно высоких технических характе­ристик линейности.

Здесь возможно применить техни­ческое решение [2], при котором вход­ной сигнал уже сформирован мало­мощным усилителем с нужной АФЧХ. Мощный усилитель класса D усиливает (масштабирует) его выходной сигнал на низкоомной нагрузке в виде АС. В этом варианте управляющая ВЧ-структура (главный канал [3]) в небольших пределах дополнительно корректирует сигнал на входе мощного усилителя класса D.

Дополнительный корректирующий сигнал, поступивший от внешней уп­равляющей ВЧ-структуры на вход мощ­ного усилителя класса D, приходит существенно ослабленным. При таком техническом решении ООС не может эффективно управлять сигналом на выходе мощного усилителя класса D и тем самым не может полностью устра­нить его недостатки (в области частот выше 10 кГц). Это обусловлено глубин­ными проблемами самих усилителей класса D.

Работа подобных усилителей воз­можна в том случае, если ООС не пре­рывается, и управляющая ВЧ-структура (главный канал [3]) дополнительно корректирует сам мощный выходной сигнал с помощью менее мощного быстродействующего усилителя.

Очень важно отметить, что получае­мый таким образом усилитель может обладать весьма высокими параметра­ми ООС, т. е. иметь крайне малое ВРП ООС и допускать стопроцентную ООС на ВЧ. Соответственно подобный уси­литель может быть применён как один из вариантов внешнего усилителя мощности (ВУМ) для УМЗЧ, опублико­ванного ранее в [1]. Примером такого решения может служить схема усили­теля, показанная на рис. 2.

Рис. 2

ЛИТЕРАТУРА

1. Литаврин А. МКУС в УМЗЧ с биполяр­ными и полевыми транзисторами (универ­сальная структура). — Радио, 2015, № 10, с. 12—16; № 11, с. 7-9.
2. Литаврин А. МКУС в усилителях с интегральными микросхемами мощных УМЗЧ (универсальная структура). — Радио, 2016, №4, с. 13-18.
3. Литаврин А. МКУС в УМЗЧ с гиперглубокой ООС. — Радио, 2013, № 9, с. 8—12; № 10, с. 15—19; № 11, с. 8—10.
4. Игнатьев Ю. Улучшение параметров усилителя класса D на примере разработки ав­томобильного усилителя высокого класса. — Радио, 2016, № 1, с. 8—13; № 2, с. 29—34; №3, с. 12-17.
5. PDF. — URL: http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/202425/IRF/IRS2092.html (30.1116).
6. PDF. — URL: http://www.all­datasheet.com/datasheet-pdf/pdf/191073/IRF/IRFI4019H-117P.html (30.11.16).

(Окончание следует)

Автор: А. ЛИТАВРИН, г. Березовский Кемеровской обл.
Источник: Радио №6/2017