magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

{a-feliratkozással-elfogadja-az-adl-kiadó-kft-adatvédelmi-és-adatkezelési-tájékoztatóját-1}

lidKis fogyasztású hangfrekvenciás áramkörök tervezésének egyszerűsítése

A kézibeszélők és a dolgok internetéhez (IoT) kapcsolódó eszközök hangfrekvenciás áramkörei esetében alapvető fontosságú követelmény a kis fogyasztás, a kis méret és az alacsony hőtermelés. A hangfrekvenciás erősítők azonban gyakran rossz hatásfokú hőtermelők, amelyek méretes hűtőbordákat igényelnek.
A méret és a fogyasztás csökkentésére jó megoldást jelentenek a D osztályú vagy digitális erősítők.

 

Ami újdonságot a kapcsolóüzemű tápegység hozott az áramellátásban, ugyanazt hozzák a D osztályú erősítők a hanglejátszás területén. A D osztályú erősítők esetében a hangfrekvenciás bemenőjelek impulzusszélesség-modulált (PWM) jelekként vannak kódolva, és ezek vezérlik a nagy teljesítményű eszközöket a nyitási és zárási jelszint között úgy, hogy csak a jelátmenetek során vesznek fel teljesítményt.
Ezek a „digitális” erősítők nagymértékben növelik a hangfrekvenciás erősítők hatásfokát, ami kisebb hőtermelést és kisebb fizikai méretet eredményez. Ezenkívül a közelmúltbeli fejlesztések úgy változtatták meg a modulációs sémákat, hogy a kimeneteknél nincs már szükség aluláteresztő szűrőkre, ami még tovább csökkenti a méretet és a bonyolultságot.

 

Figure 1

1. ábra  Az A, B, AB és C osztályú analóg erősítők munkapontja és jelátvitele (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 

Analóg teljesítményerősítők

Az analóg teljesítményerősítők fejlesztése során arra összpontosítottak, hogy a jelhűség javítása mellett egyidejűleg javuljon az erősítő hatásfoka is. Az erősítőket az A, B, AB és C osztályba sorolják a munkapontjuk alapján, valamint annak alapján, hogy a bemenő szinuszjel hány százalékát viszik át (1. ábra).
Az A osztályú erősítők (balra fent) a bemeneti jel teljes ciklusát átviszik. A munkapontjuk az átviteli jelleggörbe közepére van beállítva. A jelhűségük kiváló, mivel azonban az erősítő mindig működik, akkor is, ha nincs bemeneti jel, a hatásfokuk jellemzően alacsony.
A B osztályú erősítőket (balra lent) arra tervezték, hogy a munkapontot a jelleggörbe jelvágási szakaszára állítva javítsák a hatásfokot. Az erősítő csak a szinuszhullám fél ciklusát viszi át. Normál esetben az áramkört ellenütemű kialakításban készítik, hogy a szinuszhullám pozitív és negatív félperiódusát is erősítse. Ha nincs jel a bemeneten, az erősítő nem működik, ami javítja a hatásfokot. Ezt az előnyt lerontja a jelhűségnek a keresztezési torzítás miatti elvesztése, amely a bemenőjel polaritásváltási pontjai (jelátmenetek) közelében fordul elő. A keresztezési torzítást – az erősítő munkapontját kissé feljebb tolva – lehet csökkenteni. Ennek eredménye az AB osztályú erősítő (jobbra fent). Ezt az erősítőfajtát általában szintén ellenütemű kialakításban készítik. A hangfrekvenciás teljesítményerősítők között a leggyakoribb változat az AB osztályú erősítő.
A C osztályú erősítőt (jobbra lent) úgy tervezik, hogy a bemeneti szinuszhullámnak csak egy nagyon kis részét vigye át. Jellemzője a nagy hatásfok, de a jelhűsége gyenge. Az ilyen fajta erősítőket rádiófrekvenciás teljesítményerősítőkben találjuk, ahol a kimeneti terhelés egy rezgőkör, amely visszaállítja a helyes hullámformát.
Az ezen analóg erősítők hatásfokának javítására irányuló megoldások arra összpontosítanak, hogy az erősítő átviteli szakasza a lehető legkisebb időtartamúra csökkenjen, amint az a C osztályú erősítő esetében látható.

 

Figure 2

2. ábra  A D osztályú erősítők átalakítják az analóg bemenőjelet PWM hullámformára, amellyel kapcsolóüzemű FET tranzisztort vezérelnek teljes nyitási és zárási állapotba. A kimeneti aluláteresztő szűrő a hangszórónál állítja vissza az analóg hullámformát (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 

A D osztály alapismeretei

A D osztályú erősítők egész más irányból közelítenek a kérdéshez, és inkább úgy működnek, mint egy kapcsolóüzemű tápegység (2. ábra).
A D osztályú erősítő impulzusszélesség-modulált (PWM) hullámformává alakítja át az analóg bemenőjelet. A PWM hullámforma vezérli a FET-es ellenütemű kimeneti fokozatot teljes nyitási vagy zárási állapotba minden impulzus esetében. Amikor az egyik FET tranzisztor nyitott, a rajta átfolyó áram erős, de a lábai között mérhető feszültség nagyon alacsony, így csak a jelátmenetek során történik teljesítményfelvétel. Ehhez hasonlóan, amikor a FET zárt, a lábai között mérhető feszültség magas, de a rajta átfolyó áram csaknem nulla. Megint csak nincs teljesítményfelvétel, csak a jelátmenetek során.
Az analóg hullámforma PWM hullámformává alakítása úgy történik, hogy az analóg hullámformát egy komparátor (jel-összehasonlító áramkör) egyik bemenetére adják, míg a másik bemenetére a kívánt kapcsolási frekvenciájú háromszögjel vagy fűrészjel kerül (3. ábra). A felső görbe a bemenőjel hullámformáját mutatja, amely ebben az esetben egy 10 kHz-es szinuszjel, ez kerül a komparátor egyik bemenetére. A középső görbe egy 250 kHz-es háromszögjel, amelyet a komparátor másik bemenetére adnak. A komparátor kimenőjele a harmadik görbén látható PWM hullámforma. Az impulzusszélesség a bemenőjel amplitúdójától függően változik (3. ábra).
A FET-es ellenütemű teljesítményfokozat kimenőjele szintén PWM jel. Ez egy egyszerű, tekercsből és kondenzátorból álló (LC) aluláteresztő szűrőre kerül, amely visszaállítja a felerősített analóg hullámformát. A háromszögjel frekvenciájának sokkal nagyobbnak kell lennie az aluláteresztő szűrő sarokfrekvenciájánál.
A PWM helyett választható másik lehetőség az impulzussűrűség-moduláció (PDM). A PDM rövid időtartamú négyszögimpulzusokat használ, amelyek sűrűsége az analóg bemenőjel amplitúdójától függően változik. Ezt szigma-delta modulációval lehet előállítani.
A D osztályú erősítő erősítési tényezőjét befolyásolja a sínfeszültség. Mivel a tápfeszültség ingadozási érzéketlensége alacsony, ezt az erősítő körüli visszacsatolással kompenzálják. Ez látható a 2. ábrán szereplő blokkvázlaton, ahol a visszacsatolás a szűrő kimenetéről történik.
A D osztályú erősítő legfőbb előnye az, hogy a hatásfoka 90% körüli. Ez sokkal jobb, mint legközelebbi analóg versenytársáé, az AB osztályú erősítőé, amelynek hatásfoka 50–70% közötti. A nagy hatásfok lehetővé teszi a kisebb fizikai méretet, valamint esetenként a hűtőbordák és a hűtőventilátorok elhagyását. Hordozható eszközök esetében a nagyobb hatásfok hosszabb akkumulátor-üzemidőt jelent. A hatásfok a kimenőteljesítmény-szintekkel egyenes arányban változik, és a teljesítmény csökkenésével csökken.

 

D osztályú erősítők kialakításai

A D osztályú erősítőket általában kétféle kialakításban építik, az egyszerűbb ezek közül a 4. ábrán látható félhidas áramkör (4. ábra).
A hídba kötött terhelésnek (bridge-tied load, BTL) is nevezett teljes hidas kialakítás előnye a félhidas kialakításhoz képest az ugyanolyan tápfeszültség melletti nagyobb kimenőteljesítmény. Amíg a félhidas kialakításnál a szűrő kimenete kapcsolgat a pozitív és negatív tápsín között, addig a teljes hidas (BTL) kialakításnál a terhelés egyidejűleg van a pozitív vagy negatív tápsín között, ami megkettőzi a terhelésre adott feszültséget, és ezzel megnégyszerezi a kimenőteljesítményt. A BTL üzem lehetővé teszi ezenkívül az egyetlen egypólusú tápegység használatát.

 

Figure 3

3. ábra  A PWM jel analóg bemenőjelből való létrehozásához egy bemenőjel (felül) és egy háromszögjel vagy fűrészjel (középen) szükséges. A két jelet rá kell adni egy komparátor bemeneteire, amely így olyan PWM jelet (alul) állít elő, amelynek impulzusszélessége a bemenőjel amplitúdójának megfelelően változik (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 

Szűrő nélküli D osztályú erősítők

Az AD-moduláció néven ismert hagyományos D osztályú kapcsolós rendszerek esetében a munkaciklus úgy modulálja a négyszöghullám hullámformáját, hogy annak átlagértéke megfeleljen az analóg bemenőjel feszültségének. A teljes hidas kialakítás (BTL) kimenetei komplementer módon kiegészítik egymást. A kimenőjelben nincs jelentős közös módusú kapcsolt tartalom. Van azonban közös módusú egyenfeszültség a PWM-kapcsolás átlagértéke miatt. Mivel ez az egyenfeszültségszint a terhelés mindkét oldalán megjelenik, nem okoz rajta teljesítményveszteséget.
Ha nincs bemenőjel, az erősítő a névleges PWM-frekvenciával kapcsol, és 50%-os aktív ciklusidő jelenik meg a terhelésen. Ennek hatására jelentős áram folyik át a terhelésen, és jelentős rajta a teljesítményveszteség is. Az LC szűrőre azért van szükség, hogy a nagyobb hatásfok elérése érdekében „brummáramra” csökkentse az áramerősséget. Minél alacsonyabb ez a brummáram, annál jobb a hatásfok a terhelésen bekövetkező kisebb teljesítményveszteség és a nyitott kimeneti FET-ek nyelőforrás ellenállásán (RDS(on)) keletkező kisebb átvezetési veszteség miatt.
Egy másik használható modulációs módszer, amelyet gyakran neveznek BD vagy szűrő nélküli modulációnak, egy olyan kapcsolós rendszert használ, amely a kimenőjelek eltérésének aktív ciklusát modulálja úgy, hogy annak átlagértéke megfeleljen az analóg bemenőjelnek. A teljes hidas kialakítás (BTL) kimenetei ilyenkor terhelésmentes esetben egy fázisban vannak, nem komplementerként működnek. Ennek eredményeként nulla feszültség van a terhelés két oldalán, ami úgy csökkenti minimálisra a nyugalmi fogyasztást, hogy ehhez szűrő sem kell. BD-moduláció esetén a kimenőjelben jelentős közös módusú tartalom van. Ez a modulációs módszer a hangszóró saját induktivitására, valamint az emberi fül sáváteresztő szűrési jelleggörbéjére alapozva állítja vissza a hangfrekvenciás jelet.

Figure 4

4. ábra  A D osztályú erősítők két elterjedten használt változata a félhidas és a teljes hidas kialakítás (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 

Integrált áramkörös D osztályú erősítők

A Texas Instruments cég TPA3116D2DADR jelű terméke egy D osztályú sztereoerősítő, amelynek hatásfoka 90% fölötti, és többféle kimeneti teljesítménykonfigurációt támogat, beleértve a 2 csatornás kialakítást 50 W teljesítménnyel, 4 Ω-os BTL terheléssel, 21 V tápfeszültség mellett. A család más típusai lehetőséget adnak 2 csatornás kialakításra 30 W teljesítménnyel, 8 Ω-os terheléssel, 24 V tápfeszültség mellett, illetve 2 csatornás kialakításra 15 W teljesítménnyel, 8 Ω-os terheléssel, 15 V tápfeszültség mellett. Csak a legnagyobb teljesítményű eszközhöz kell hűtőbordát használni.

 

Figure 5

5. ábra  A TI cég TPA3116D2DADR jelű terméke egy D osztályú sztereoerősítő szimulációjában. Az ábrán látható a nyers (VM3) és a szűrt (VM1) kimeneti hullámforma BD moduláció esetén (A kép forrása: Digi-Key Electronics)

 


Az eszközökhöz maximum 1,2 MHz-es kapcsolási frekvencia használható, és a zavarás elkerülése érdekében AM szűréssel vannak ellátva. Az AD és BD modulációs módszer közül egy bemenetszabályozóval lehet választani. A termék önvédelmi áramköröket is tartalmaz, beleértve a túlfeszültségvédelmet, alacsonyfeszültség-védelmet, túlmelegedés elleni védelmet, egyenáram-érzékelőt és rövidzárvédelmet hibajelentéssel. Egy jellegzetes kialakítás látható a Texas Instruments TINA-TI szimulációs eszközében (5. ábra). Ez az áramkör egy 12 V-os áramforrást igényel, és 12,5 W-os kimenőteljesítményt ad le 4 Ω-os terhelésen. A virtuális oszcilloszkóp mutatja a nyers digitális (VM3) és a szűrt kimenőjelet (VM1). A Texas Instruments cég TPA3126D2DAD jelű terméke a TPA3116D2 sorozat nagyobb teljesítményű, továbbfejlesztett változata. Az eszköz lábkiosztása teljesen megegyezik a régebbi integrált áramkörével, és egy nagyobb minőségi javítást tartalmaz, amely 70%-kal csökkenti az üresjárati áramot egy védjegyes hibrid modulációs módszerrel. Ez a módszer kis teljesítményszinteken csökkenti az üresjárati áramot, növelve ezzel az akkumulátor üzemidejét. A D osztályú erősítők esetében a kis teljesítményen való üzemeltetés nagyobb figyelmet igényel a tervezés során. Mint korábban említésre került, a hatásfok arányos a teljesítményszinttel, és a kis teljesítményszintek általában kisebb hatásfokot is jelentenek. A Texas Instruments cég TPA2001D2PWPR jelű terméke csatornánként 1 W teljesítményű, D osztályú sztereoerősítő harmadik generációs D osztálynak megfelelő tervezéssel és kialakítással. Jellemző rá a kisebb tápáramigény, alacsonyabb zajküszöb és jobb hatásfok. A D osztályú, szűrő nélküli modulációs módszerre tervezett eszköz nem igényel kimeneti szűrőt, amivel egyrészt helyet takarít meg a nyomtatott áramköri lapon, másrészt alkatrészköltséget is a tervezők részére. Csatornánként több, mint 1 W kimenőteljesítményre képes 8 Ω-os terhelés esetén, 5 V-os tápfeszültség mellett.
A TPA2001D2EVM jelű termék, amely egy kiértékelő kártya formájában kapható referenciakapcsolás, számítógéppel összekapcsolva azonnal működőképes (Plug and Play) D osztályú hangfrekvenciás erősítőként használható (6. ábra). A teljes hidas (BTL) kialakítású erősítő alapvetően mindent tartalmaz, csak néhány külső alkatrészre van szükség a használatához.

 

Figure 6

6. ábra  A TPA2001D2 integrált áramkörre épülő, csatornánként 1 W kimenőteljesítményű, D osztályú sztereoerősítő (A kép forrása: Texas Instruments)

 

Következtetés

A D osztályú erősítők kis veszteséget kínálnak nagyon nagy hatásfok mellett, kis méretben a hordozható, akkumulátorról vagy szárazelemről táplálható eszközökhöz. A készen kapható integrált áramköröknek köszönhetően ezek az erősítők gyorsan és könnyen alkalmazhatók, és a közelmúltbeli fejlesztések csökkentették a szűrők iránti igényt, így a felhasználásukkal készített eszközök még olcsóbbak és még kisebb méretűek lehetnek.

 

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics
Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: hermann.reiter@digikey.com

www.digikey.hu

 

Még több Digi-Key Electronics

 

 

 

 

 

   
Advertisement