Mạch Khuếch đại Class D - Tài Liệu Text - 123doc

Tải bản đầy đủ (.doc) (14 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Kỹ thuật
>>
3. Điện - Điện tử - Viễn thông

mạch khuếch đại class D

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (409.96 KB, 14 trang )

AMPLIFIER CLASS D 1. Giới thiệu Hầu hết các kỹ sư thiết kế hệ thống âm thanh cũng nhận thức được những lợi thế sức mạnh hiệu quả của bộ khuếch đại Class D hơn các bộ khuếch đại tuyến tính như Class A, B, và AB. Trong bộ khuếch đại tuyến tính như Class AB, một lượng đáng kể năng lượng bị mất do các hoạt động tuyến tính của các transistor đầu ra. Bởi vì các transistor của một bộ khuếch đại Class D chỉ đơn giản là sử dụng thiết bị chuyển mạch để chuyển dòng điện qua tải, năng lượng tối thiểu bị mất do các giai đoạn chuyển mạch. Bất kỳ tổn thất điện năng của một bộ khuếch đại lớp D chủ yếu do trở kháng trên transistor đầu ra, tổn thất chuyển mạch trên dòng tĩnh. Hầu hết các điện áp bị mất trong một bộ khuếch đại là tiêu tán dưới dạng nhiệt. Vì vậy yêu cầu tản nhiệt có thể được giảm đáng kể hoặc loại bỏ trong bộ khuếch đại Class D, chúng là lý tưởng cho các ứng dụng năng lượng cao nhỏ gọn. Trong quá khứ, các lợi thế sức mạnh hiệu quả của PWM dựa trên bộ khuếch đại Class D đã bị lu mờ bởi chi phí bộ lọc bên ngoài, EMI / EMC và THD + N kém hiệu quả khi so sánh với bộ khuếch đại tuyến tính. Tuy nhiên, hầu hết các bộ khuếch đại Class D thế hệ hiện tại sử dụng điều chế và phản hồi kỹ thuật tiên tiến để giảm thiểu các vấn đề này. Hình dưới đây cho thấy đường cong hiệu quả điển hình cho bộ khuếch đại tuyến tính và loại D.2. Khái niệm Các mạch khuếch đại Lớp D, hay còn gọi là các mạch khuếch đại điều biến độ rộng xung, sử dụng kỹ thuật chuyển mạch để đạt được hiệu suất rất cao (hơn 90% ở các mạch khuếch đại hiện đại). Vì nó chỉ cho phép các linh kiện chỉ ở dạng hoàn toàn dẫn hoặc không dẫn, tiêu tán trên linh kiện sẽ là tối thiểu. Một số loại mạch khuếch đại điều chế độ rộng xung đơn giản vẫn còn được tiếp tục sử dụng. Tuy nhiên, các mạch khuếch đại kiểu đóng ngắt hiện đại đã sử dụng kỹ thuật số, thí dụ như kỹ thuật điều chế sigma-delta cho độ trung thực tối ưu.Trước đây, lớp D được sử dụng trong các mạch khuếch đại loa siêu trầm vì giới hạn của băng thông và khả năng không gây méo dạng, sau này các tiến bộ kỹ thuật chất bán dẫn đã cho phép chế tạo các mạch khuếch đại có độ trung thực cao, dải tần rộng, với tỷ số nhiễu trên tín hiệu và hệ số méo dạng thấp tương đương với những mạch khuếch đại tuyến tính cùng loại.3. Cấu trúc cơ bản a) Sơ đồ nguyên lý Điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)Kỹ thuật Ampli D dùng PWM cần có : - Một nguồn xung tam giác (Triangle Generator) có tần số ổn định. - Một nguồn âm tiêu chuẩn cần khuếch đại (đơn giản là nguồn âm thanh được cân bằng, sạch nhiễu và cài đặt được âm chất nhờ vào các mạch tone control hayequalyser, thậm chí không cần những thứ đó cũng được tuỳ theo nhu cầu âm chất của người nghe). - Một mạch khuếch đại tuyến tính hai ngã vào (in+ và in-), xung tam giác vào ngõ in+ và tín hiệu từ nguồn âm vào ngã in Ngã ra là xung vuông. Lúc đó nguồn âm thanh sẽ điều biến độ rộng (tính theo đơn vị thời gian) của xung vuông ở ngã ra thành một chuỗi xung vuông có độ rộng xung thay đổi tuyến tính với biên độ nguồn âm thanh. Nói khác đi, nguồn âm thanh được xem như một nguồn điện áp để điều biến độ rộng xung ở ngõ ra của bộ điều biến độ rộng xung (PWMC / Pulse Width Modulation Control). Ngày nay đã có các IC chuyên dùng làm nhiệm vụ PWM. Ở đây chúng ta đề cập đến các IC PWM đơn biên (như họ UC384x với UC3842) và các IC song biên phục vụ PWM đẩy kéo (như một số họ SG và đặc biệt thông dụng làTL494). Tuy nhiên cũng cần chú ý khả năng PWM của IC 555 (đặc biệt là 7555 của Maxim), có thể nói là không hề thua kém các IC PWM đắt tiền khác. Hình 1 cho thấy một sơ đồ khối đơn giản của một PWM dựa trên, nửa cầu mạch khuếch đại Class D. Nó bao gồm một bộ điều biến độ rộng xung, hai đầu ra MOSFETs và một bộ lọc thấp bên ngoài (LF và CF) để khôi phục lại các tín hiệu âm thanh khuếch đại. Như trong hình, kênh p và kênh n MOSFETs hoạt động như công tắc điều chỉnh dòng điện bằng cách luân phiên kết nối các nút đầu ra với nguồn dương và đất. Bởi vì các đầu ra của transistor chuyển đổi đầu ra cho một trong hai nguồn hoặc đất, các kết quả đầu ra của một bộ khuếch đại Class D là một làn sóng vuông tần số cao. Các tần số chuyển mạch (FSW) cho hầu hết các bộ khuếch đại Class D thường là từ 250 kHz đến 1.5MHz. Các đầu ra sóng vuông là độ rộng xung điều chế bởi tín hiệu âm thanh đầu vào. PWM được thực hiện bằng cách so sánh các tín hiệu âm thanh đầu vào để tạo ra một bộ ba sóng (hoặc răng cưa) dao động. Đây là loại điều chế cũng thường được gọi là "lấy mẫu tự nhiên", nơi các dao động sóng tam giác đóng vai trò như xung chuẩn. Kết quả các chu kỳ của sóng vuông tỷ lệ thuận với mức độ của tín hiệu đầu vào. Khi không có tín hiệu đầu vào, chu kỳ của dạng sóng đầu ra là bằng 50%. Hình 2 minh họa các kết quả đầu ra dạng sóng PWM do sự thay đổi mức độ đầu vào tín hiệu. .Figure 2. The output-signal pulse widths vary proportionally with the input-signal magnitude Để giải nén các tín hiệu âm thanh khuếch đại từ dạng sóng PWM này, đầu ra của bộ khuếch đại Class D được đưa vào một bộ lọc thông thấp. Các bộ lọc thấp LC thể hiện trong hình 1 hoạt động như bộ tích hợp thụ động (giả sử tần số cắt của bộ lọc là thấp nhất của các cường độ thấp hơn so với tần số chuyển mạch của các giai đoạn đầu ra) mà đầu ra là tương ứng với giá trị trung bình của sóng vuông Ngoài ra, các bộ lọc thấp ngăn chặn năng lượng chuyển đổi tần số cao không bị tiêu tán trong các điện trở tải. Giả sử rằng điện áp đầu ra được lọc (OAVGV) và hiện tại (AVGI) vẫn không đổi trong một thời kỳ chuyển đổi đơn. Giả định này là khá chính xác bởi vì FSW là lớn hơn nhiều so với tần số âm thanh đầu vào cao nhất. Vì vậy, mối quan hệ giữa các chu kỳ và kết quả lọc điện áp đầu ra có thể được bắt nguồn bằng cách sử dụng phân tích trong miền thời gian đơn giản của điện áp cuộn cảm và dòng điện. Dòng điện tức thời đi qua cuộn cảm là: 1( ) ( )L LI t V t dtL= ∫ (Eq1)Với LV(t) là điện áp tức thời trên cuộn cảm sử dụng quy ước dấu hiệu thể hiện trong hình 1.Bởi vì dòng điện trung bình (AVGI ) đi vào được giả định không đổi qua một chu kì chuyển đổi, dòng cuộn cảm vào ở đầu chu kỳ chuyển đổi (WST ) phải bằng dòng cuộn cảm vào ở cuối chu kỳ chuyển đổi, như thể hiện trong Hình 3. Trong thuật ngữ toán học, điều này có nghĩa là : WW01( ) ( ) (0) 0STL L S LV t dt I T IL= − =∫ (Eq2) Công thức 2 cho thấy tách rời của điện áp cuộn cảm trên một khoảng thời gian chuyển mạch phải bằng 0. Sử dụng phương trình 2 và kiểm tra các V L (t) dạng sóng hiển thị trong hình 3, nó là rõ ràng rằng các giá trị tuyệt đối của vị trí (ON và OFF ) phải bằng với nhau để cho phương trình 2 là đúng. Với thông tin này, chúng ta có thể rút ra một biểu thức cho điện áp đầu ra được lọc tỷ lệ thuận của các dạng sóng chuyển đổi:ON OFFA A= (Eq3)DD 0( ).ON ONA V V t= − (Eq4)0.OFF OFFA V t= (Eq5)Thay phương trình 4 và 5 vào phương trình 3 cho ta phương trình mới:DD 0 0( ). .tON OFFV V t V− = (Eq6)Cuối cùng ta được 0V: 0 DD DD. .ONON OFFtV V V Dt t= =+ (Eq7)Với D là tỷ lệ thuận của dạng sóng đầu ra chuyển đổi.b) Sử dụng phản hồi để cải thiện hiệu suất Nhiều bộ khuếch đại Class D sử dụng thông tin phản hồi âm từ đầu ra PWM trở lại đầu vào của thiết bị. Phương pháp vòng kín không chỉ cải thiện độ tuyến tính của thiết bị, mà còn cho phép thiết bị có thể loại bỏ điện áp. Điều này trái ngược với một bộ khuếch đại vòng hở, mà vốn đã có rất ít (nếu có). Bởi vì các dạng sóng đầu ra được nhìn thấy và phản hồi lại cho các đầu vào của bộ khuếch đại trong một cấu trúc liên kết vòng kín, lệch hướng trong tín hiệu cung cấp được phát hiện tại đầu ra và sửa chữa bởi các vòng điều khiển. Những lợi thế của một thiết kế kín đã giải quyết các vấn đề ổn định có thể, như trường hợp với tất cả các hệ thống sử dụng các thông tin phản hồi. Do đó, các vòng lặp kiểm tra được cẩn thận và đền bù để đảm bảo sự ổn định trong mọi điều kiện hoạt động. Tiêu biểu bộ khuếch đại Class D hoạt động bị nhiễu hình thành kiểu vòng lặp thông tin phản hồi, làm giảm đáng kể nhiễu trong băng tần do các phi tuyến của bộ điều biến độ rộng xung, giai đoạn đầu ra, và độ lệch cung điện áp. Cấu trúc này là tương tự như được sử dụng trong điều biến sigma-delta. Để minh họa chức năng này, Hình 4 cho thấy một sơ đồ khối đơn giản để giảm nhiễu. Hệ thống thông tin phản hồi thường bao gồm nhiều điện trở để đơn giản, ví dụ thể hiện trong hình 4 sử dụng một tỷ số phản hồi bằng 1. Ngoài ra, các hàm truyền cho các mạch tích hợp đã được đơn giản hóa để bằng 1/ s vì đạt được tích hợp trong một khối lý tưởng là tỷ lệ nghịch với tần số. Nó cũng giả định rằng các khối PWM có một sự thống nhất đạt được và không tham gia vòng điều khiển. Sử dụng phân tích kiểm soát khối cơ bản, các biểu thức sau đây có thể được lấy cho đầu ra:01( ) . ( ) . ( )1 1IN nsV s V s E ss s= ++ + (Eq8) Phương trình 8 cho thấy rằng nhiễu En(s) được nhân với một hàm lọc thông cao( hàm thay đổi nhiễu) trong đầu vào, khi ( )INV s được nhân với một hàm lọc thông thấp (hàm truyền tín hiệu ). Nếu tần số cắt của bộ lọc đầu ra được lựa chọn đúng, hầu hết các nhiễu được giảm (Hình 4). Trong các ví dụ trước khi phản hồi bằng 1 để giảm nhiễu, các bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng nhiều topo giảm nhiễu để tiếp tục tối ưu hóa tuyến tính và điện năng cung cấp.c) Topo nửa cầu và topo cầu Tương tự như bộ khuếch đại lớp AB thường, Class D bộ khuếch đại cũng sử dụng hai topo: nửa cầu và cầu. Mỗi loại topo có ưu và khuyết điểm khác nhau. Nửa cầu là một bước chuyển đổi từ DC sang AC. Nó là một "công cụ chuyển đổi hai góc phần tư" vì dòng điện tải có thể đi theo hai chiều. Đây là một tính năng quan trọng khi điều chỉnh một tải có tính cảm với một sóng xoay chiều. Cấu trúc này được sử dụng rộng rãi để tạo ra một sóng sin đầu ra. Hạn chế của nó là nó đòi hỏi một điện áp âm đối với đầu ra trung tính. Topo cầu đã khắc phục được hạn chế này. Topo cầu sử dụng hai topo nửa cầu làm cho hiệu suất âm thanh tốt hơn. Bảng 1 cho thấy sự so sánh giữa hai topo cầu và nửa cầu.Hình 6. dạng sóng đầu ra topo cầu truyền thống bổ sung cho nhau, do đó tạo ra một tín hiệu PWM khác biệt trên tải. Topo cầu có ưu điểm của một bộ khuếch đại lớp AB BTL. Lợi thế của bộ khuếch đại BTL là họ không yêu cầu tụ DC tham ra vào các tín hiệu đầu ra và hoạt động với một nguồn duy nhất. Không giống đối với một bộ khuếch đại nửa cầu là một tụ DC bù đắp bằng VDD / 2 thay đổi tín hiệu của nó với nguồn và đất là 50% chu kỳ. Với topo cầu thì được bù đắp trên mỗi tải có nghĩa là đầu ra không có dòng điện một chiều và khuếch đại hai lần tín hiệu đầu ra.d) Loại bỏ bộ lọc đầu vào- đầu lọc điều biến Một trong những nhược điểm lớn( nhiễu) của các bộ khuếch đại Class D truyền thống đã được một bộ lọc LC bên ngoài giải quyết. Điều này làm tăng chi phí và không gian mạch yêu cầu chúng ta có một giải pháp, nhưng cũng đưa ra khả năng sai lệch do bộ lọc sai lệch. May mắn thay các bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng "không đầu lọc" để loại bỏ, hoặc ít nhất là giảm thiểu bộ lọc ngoài.e) Hạn chế tối đa EMI trong lan truyền băng tần điều biến Một bất lợi của khi sử dụng đầu lọc là khả năng bức xạ EMI( nhiễu điện từ) từ dây loa. Bởi vì các dạng sóng đầu ra bộ khuếch đại Class D là tần số cao sóng vuông với quá độ nhanh, quang phổ đầu ra có chứa một lượng lớn năng lượng quang phổ tại tần số chuyển mạch và bội số nguyên của tần số chuyển mạch. Nếu không có một bộ lọc đầu ra bên ngoài cùng với thiết bị, năng lượng tần số cao này có thể được phát ra bởi các dây loa. Đầu lọc khuếch đại Class D EMI giúp giảm thiểu các vấn đề có thể EMI qua chương trình điều chế được gọi là điều chế trải phổ.h) Sơ đồ chi tiết Thiết kế dưới đây chỉ dùng 1 IC LM393. Công suất hiệu dụng 2W > 3W, công suất đỉnh 3,5W, PMOP 4W. Hiệu suất ~92%. Trong mạch : - Q2 khuếch đại điện áp tín hiệu. Q1 khuếch đại dòng tín hiệu để có điện áp modulation trên R8 đưa vào chân 5 của IC 555. - U1 (555) chạy PWM, dao động cơ bản ~ 75 KHz xuất ra chân 3. Khi điện áp trên chân 5 thay đổi thì độ rộng xung ở chân 3 thay đổi nghịch biến với điện áp này. Nghĩa là độ rộng xung sẽ thay đổi theo điện áp tín hiệu âm thanh ngõ vào (audio in). - Điện áp xung ở chân 7 được đưa về qua R5-R6 hồi tiếp để ổn định độ sâu điều biến. - Xung PWM xuất ra từ chân 3 được U5 và U6 khuếch đại đệm, xuất ra mạch D Class demodulation đơn giản như một LPF (LowPass Filter) do L1 (60uH) và C5(4uF) đảm nhiệm để hồi dạng tín hiệu ngõ vào với công suất đã nói trên. C (330uF) làm nhiệm vụ thu hút điện áp DC trên loa. Mạch hoạt động với tần số lý tưởng 1 KHz, rất hợp với âm sắc trầm ấm hay loa siêu trầm. Hiệu suất rất lớn nên các transistor không cần tản nhiệt (*) và cẩn thận kẻo cháy loa. Dĩ nhiên đây không phải là mạch tốt nhất. Trong mạch có L1, nếu không mua được thì phải dùng ferrite xuyến nhỏ (hình vành khăn) trong ballast điện tử đèn ống, quấn 65 vòng, cỡ dây d = 0,3 mm. Lõi không khí thì D = 10mm, quấn 360 vòng dây d = 0,3 mm.