D-osztályú erősítő tervezése – 16 bites MCU + néhány külső alkatrész = D-osztályú audioerősítő

A mikrovezérlőt belső perifériái emelik az egyszerű mikroprocesszor fölé. Ez a perifériakészlet ma már sokszor olyan gazdag és változatos, hogy elemeiből akár önálló működésre képes, teljes analóg alrendszereket is létrehozhatunk. A programozható belső kapcsolatok a külső huzalozást is szinte feleslegessé teszik, és a (majdnem) teljes számítási kapacitás és I/O-kivezetéskészlet is érintetlen marad.

A D-osztályú (kapcsolóüzemű) erősítőket magas hatásfokuk és alacsony áruk tette népszerűvé. A nagyáramú kimenetet kétállapotú teljesítménykapcsolók állítják elő, amelyeknek kisebb a teljesítményvesztesége, ezért a hődisszipációja is. Emiatt a tápegység, a hűtőborda és végső soron a teljes erősítő is kisebb méretű és kevesebb fogyasztású.
A D-osztályú erősítő tipikus hatásfoka meghaladja a 90%-ot, ellentétben egy tipikus AB-osztályú erősítő 50%-ával. Egy AB-osztályú áramkörnél a hatásfokot leginkább a végfokozat rontja, amelynek aktív elemeit a lineáris tartományban kell működtetni. Amikor ezeken az alkatrészeken áram folyik át, a tápegységből felvett teljesítmény számottevő része hővé alakul ahelyett, hogy a terhelésen hasznos teljesítményként jelenne meg.
Egy egycsatornás, teljeshidas, ellenütemű D-osztályú erősítő akár egy 16 bites mikrovezérlő beépített analóg perifériáinak felhasználásával is megvalósítható, néhány külső alkatrésszel kiegészítve. Ráadásul ez a megoldás nem köti le tartósan a processzor számítási kapacitását, ezért az felhasználható marad más alkalmazások számára.

A D-osztályú erősítő felépítése

Egy D-osztályú erősítő lényegében egy impulzusszélesség-modulált (Pulse Width Modulated – PWM) teljesítménykapcsoló. A PWM-vivőjel moduláló referenciajeleként a bemenetre kapcsolt audiojel szolgál. Az eredményül kapott PWM-jel hajtja meg a nagyteljesítményű kimeneti fokozatot, és a kimenőjel szűrésével áll elő a felerősített audiojel.
Amint az 1. ábrán látható, egy ilyen eszközhöz négy alapvető részegység szükséges: egy háromszöghullámú generátor, egy komparátor az audiojellel történő összehasonlításhoz, egy kapcsolóvezérlő és kimeneti fokozat, valamint egy aluláteresztő szűrő.
Az első lépésben az analóg audiojelet egy nagyfrekvenciás háromszöghullámmal hasonlítjuk össze egy komparátor segítségével. Ennek kimenete egy kétállapotú jel, amelynek értéke attól függ, hogy egy adott pillanatban a bemeneti jel vagy a háromszögjel közül melyik a nagyobb. Az eredmény egy impulzussorozat, amelynek kitöltési tényezője egyenesen arányos a bemeneti audiojel pillanatértékével. Ez lényegében a bemeneti jel digitális megfelelője, amely a kimeneti kapcsoló be- vagy kikapcsolt állapotát határozza meg.
További logikai áramkör szükséges a digitális jel inverzének előállításához, amely egy ellenütemű kapcsolópárt vezérel az eredetivel ellentétes fázisban. A kapcsolóvezérlő feladata, hogy a PWM-jel által meghatározott időzítéssel állítsa elő a kapumeghajtó jeleket a teljesítménykapcsoló fokozat kapcsolóelemei számára. A kimeneti kapcsolók a tápfeszültséggel arányos feszültségerősítést állítanak elő olyan kimeneti árammal, amely elegendő a hangszóró tekercsének meghajtásához. Az utolsó lépésben az aluláteresztő szűrő távolítja el a kimenőjelből a vivőfrekvenciás jelet, és ezzel helyreállítja a felerősített analóg audiojelet.

1. ábra Egy D-osztályú erősítő tömbvázlata

Analóg bemenet

A bejövő audiojelet – mielőtt a háromszögjellel összehasonlítanánk – előfeldolgozásnak kell alávetni. Az alkalmazott aluláteresző szűrés az alulmintavételezés (aliasing) elkerülésére szolgál, a bemeneti feszültség csúcsértékét pedig úgy kell korlátozni, hogy az ne lehessen nagyobb a háromszögjel csúcsértékénél. Az audiojel amplitúdóját ehhez – leosztással vagy erősítéssel – úgy kell megváltoztatni, hogy illeszkedjen a komparátor tápfeszültségeihez és a háromszögjel amplitúdójához.
A jel/zaj-viszony javításához a bemeneti audiojel csúcsértékének a lehető legjobban meg kell közelítenie az előző feltételek által megengedett maximális csúcsértékszintet. Az alkalmazástól és az alkalmazott hangszóró fajtájától függően előnyös lehet a bemeneti jel sávszélességének korlátozása is. Például, ha egy kisméretű hangszórót használunk, ami nem képes 100 Hz-nél kisebb frekvenciájú hang átvitelére, a bemeneti jelből egy felüláteresztő szűrővel érdemes eltávolítani a 100 Hz-nél kisebb frekvenciájú összetevőket, amelyek csökkentik a felesleges teljesítményfelvételt és a hangszóró károsodásának kockázatát.

Tápegység

Mivel a tápfeszültség minősége erősen kihat az erősítő olyan tulajdonságaira, mint az erősítés, a harmonikus össztorzítás (Total Harmonic Distortion – THD) és a zaj, kritikus fontosságú az egyenfeszültségű tápegység stabilitása. A D-osztályú erősítők tápfeszültség-elnyomása nagyon kicsi – gyakorlatilag nulla –, bármilyen tápfeszültségzaj vagy feszültségesés közvetlenül a kimenetre kerül. A D-osztályú erősítő digitális természete miatt a tápegységnek hatalmas ugrásokat kell elviselnie, valahányszor a kimeneti fokozat átkapcsol. A tápfeszültség minőségére az aluláteresztő szűrő és hangszórótekercsek energiatároló tulajdonságai is hatással vannak.

Kimeneti fokozat

Amennyiben egy teljeshidas kimeneti fokozatot használunk (2. ábra), az csökkenti a tápegység minőségrontó hatását, és egyetlen tápfeszültségsínnel megvalósítható.
Az átkapcsolások között egy bizonyos holtidőt is meg kell valósítani, hogy megelőzzük a kimeneti fokozat kapcsolóelemeit károsító áramimpulzusokat. A holtidő megállapításánál azt a késleltetést kell figyelembe venni, ami a kimeneti kapcsolók kapacitív tulajdonságai miatt keletkeznek. Ez előzi meg, hogy a félhíd alsó és felső tranzisztora egy rövid ideig egyszerre legyen bekapcsolt állapotban, amely gyakorlatilag rövidre zárná a V+ tápfeszültséget a GND földponttal. A szükséges holtidő nagysága a kapcsoló be- és kikapcsolási késleltetésétől függ, és a harmonikus torzításra (THD) is hatást gyakorol. A teljeshidas topológia csökkenti az ofszetet és a THD értékét a félhidas megoldáséhoz képest, ezért visszacsatolás nélkül is megvalósítható. Amikor a bemeneti analóg jel zérus, a PWM kitöltési tényzője 50%, és az átlagos feszültség a hangszóró mindkét végpontján a V+ tápfeszültség fele.

2. ábra Teljeshidas kimeneti fokozat kapcsolási vázlata

A kimeneti szűrő

A tipikus D-osztályú erősítők kimeneti szűrőjeként másodfokú aluláteresztő LC-szőrőket használnak, amelyekben nem alkalmaznak ohmos ellenállást, amely elpazarolná az energiát. A szűrő vágási frekvenciája legfeljebb a háromszögjel-generátor frekvenciájának a negyede lehet. Az alkalmazott hangszóró névleges impedanciájához kell igazítani az induktivitás és a kapacitás értékét. Mivel azonban a hangszórótekercs saját induktivitása és kapacitása is hat a szűrő paramétereire, azokat is figyelembe kell venni a tervezés során.
Az erősítő névleges teljesítményéből adódik az a maximális áram, amely a szűrőn átfolyik, ezért ezt kell figyelembe venni a szűrőalkatrészek határadatainak megállapításakor. Végül pedig ne feledkezzünk meg arról, hogy a készülék zavarsugárzása (EMI) nem haladhat meg egy előírt maximális értéket. A legjobb EMI-teljesítőképességet a szűrőelemek helyes megválasztásával, fizikai elrendezésével és a megfelelő NyÁK-vonalvezetéssel lehet elérni.

Megvalósítás

Egy alkalmas 16 bites mikrovezérlő, mint például a Microchip PIC24FV16KM202 típusa számos beépített analóg és digitális perifériát tartalmaz, amelyek felhasználhatók egy analóg D-osztályú erősítő megvalósításához. A KM-sorozatú eszközökben konfigurálható belső kapcsolatok hozhatók létre, amelyek csökkentik a szükséges külső NyÁK-összeköttetések számát, és I/O-kivezetéseket szabadítanak fel egyéb célokra. Az FV-változatot az 5 V-os tápfeszültsége miatt választottuk, mivel ez növeli az erősítő jel/zaj-viszonyát. A 3. ábra mutatja az erősítő létrehozásához szükséges perifériákat és csatlakozásokat.

3. ábra A PIC24FV16KM202 mikrokontroller beépített perifériáinak összekapcsolása

Az OA1 műveleti erősítő az audiojelet fogadó leválasztó erősítő szerepét játssza. A háromszöggenerátor két komparátorból, egy RS-flipflopot megvalósító, konfigurálható logikai cellából (CLC – Configurable Logic Cell) és egy integrátorként konfigurált műveleti erősítőből áll. A két komparátor ablakkomparátorként van összehuzalozva, amelynek a küszöbfeszültségeit a DAC1 és a feszültség-referencia határozza meg.
Az ablakkomparátor kimenetét ezután az RS-flipflop alakítja négyszögjellé, amelyből az integrátorként kapcsolt OA1 állít elő háromszögjelet. Ezt az ablakkomparátor bemenetére visszacsatolva egy önrezgő jelgenerátor-áramkör jön létre.

A Comp3 komparátor hasonlítja össze a háromszögjelet és a bemeneti audiojelet, és ennek eredményeképpen egymáshoz viszonyított értékét mutató impulzusjelet hoz létre. A CLC2 inverterként van konfigurálva, amely a teljeshidas végfokozat két félhíd-jának ellenütemű vezérléséhez szükséges.
Összességében tehát három komparátort használtunk fel: A Comp1 és Comp2 ablakkomparátort alkot, amelynek küszöbfeszültségeit a belső feszültségreferencia és a DAC1 DA-konverter kimenet adja. A Comp3 hasonlítja össze a bemeneti audiojelet a háromszögjellel, amelynek eredménye egy digitális PWM-jel. Az OA1 a bejövő analóg jel leválasztóerősítőjeként működik, amelynek kimenete a választható belső összeköttetésekkel az invertáló bementre van visszacsatolva, és ezzel egyszeres erősítésű feszültségkövetőt alkot. Ha szükséges, az OA1 egyszeres vagy egynél nagyobb erősítésű szűrőként is konfigurálható. Az OA2 a háromszög-generátor integrátorát valósítja meg, amelynek a kimenete az ablakkomparátorra van visszacsatolva, amelyek így együtt egy önregző oszcillátort alkotnak. A digitál-analóg konverterek (DAC) statikus állapotban vannak, és ezzel programozható egyenfeszültséget hoznak létre a háromszögjel-generátor számára. A DAC1 belső huzalozással a Comp1 neminvertáló bemenetéhez kapcsolódik, és ezzel az ablakkompa-rátor felső küszöbfeszültségét határozza meg. A DAC2 – ugyancsak belső huzalozással – az OA2 neminvertáló bemenetéhez van kapcsolva, és azon a tápfeszültség felének megfelelő, 2,5 V-os referenciafeszültséget állít elő.
A CLC-k digitális logikai funkciókat valósítanak meg a háromszöghullámú generátor és a digitális kimenet számára. A CLC1 RS flipflopot valósít meg, amely az ablakkomparátort alkotó két komparátor kimeneti jeléből 50%-os kitöltésű négyszögjelet állít elő. A CLC1 bemenetei belső csatlakozásokkal kapcsolódnak a komparátorkimenetekhez. A CLC2 inverterként van konfigurálva, amely az egyik félhidat vezérlő jelből annak inverzét állítja elő a másik félhíd vezérléséhez.

Összefoglalás

A mikrokontroller beépített analóg és digitális perifériák széles választékát tartalmazza, amelyekből egy teljes D-osztályú erősítő is felépíthető. A programozható belső huzalozási lehetőségek miatt csökken a szükséges külső I/O-csatlakozópontok száma, felszabadítva azokat más alkalmazások számára. Azáltal, hogy belső perifériákat használunk külső diszkrét alkatrészek helyett, a D-osztályú erősítő kisebb NyÁK-területen valósítható meg, és csökken a teljes alkatrészköltség. (A teljesség kedvéért megismételjük: a processzornak csupán a rendszerkonfiguráció beállításánál van szerepe, ezért ezt követően, folyamatos működés közben a teljes számítási kapacitása más alkalmazások rendelkezésére áll. – A szerk. megj.)

www.microchip.com

Még több Microchip

Címkék: D-osztályú | audio | erősítő | mikorvezérlő | MCU | PWM | teljeshidas