Аналитический обзор. В последние годы все большую и большую популярность приобрета­ют усилители класса D или, как их еще называют

В последние годы все большую и большую популярность приобрета­ют усилители класса D или, как их еще называют, импульсные усилители. Некоторые производители дают им название «цифровые усилители», но оно несколько некорректно, поскольку никакого преобразования звука в двоич­ный код там нет. В усилителе класса D звуковой сигнал преобразуется в последовательность импульсов различной ширины в результате широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частота следования импульсов обычно выбирается в пределах 300-500 кГц, это оптимально для всего аудио диапа­зона. Если усилитель сабвуферный и перед ним стоит задача усиливать только диапазон до 100-200 Гц, частоту переключения можно уменьшить до 50-100 кГц. Раньше импульсные усилители были интересны только за счет своего высокого КПД (обычно более 90%) и применялись только для управления мощными электродвигателями. Этот факт был напрямую свя­зан с отсутствием высокоскоростных мощных переключательных элемен­тов, способных работать на высоких частотах, вследствие чего высокие нелинейные искажения были просто неизбежны. Однако сейчас многими компаниями производителями электронных компонентов выпускаются специализированные элементы для построения усилителей класса D, спо­собные работать на частотах вплоть до 1 МГц и выше.

Для оценки КПД усилителей различных классов рассмотрим прин­ципы работы выходных каскадов, построенных на биполярных транзи­сторах. Выходной каскад усилителя класса АВ, выполненный на бипо­лярных транзисторах, обладает низким КПД, потому что выходные тран­зисторы, подобно переменным резисторам, изменяют свое активное сопро­тивление, тем самым управляя выходным током. В усилителе класса АВ не­возможно получить размах амплитуды выходного напряжения, равный

напряжению питания, поскольку даже в полностью открытом состоянии напряжение между коллектором и эмиттером U_K3 биполярного транзистора, равняется приблизительно 1-2 В.

В импульсных усилителях силовыми элементами являются мощные полевые транзисторы, у которых существует только 2 состояния - от­крытое и закрытое. Так как сопротивление открытого канала современ­ных полевых транзисторов очень мало (обычно десятки мОм), следова­тельно, и падение напряжения на этих элементах незначительное.

Значительная часть потерь происходит на фронтах в момент пере­ключения полевых транзисторов, поэтому, снизив частоту преобразова­ния, можно уменьшить количество фронтов за единицу времени и, как следствие, немного увеличить КПД. Именно по этой причине в сабвуфер­ных усилителях класса D частоту переключения понижают вплоть до 50 кГц. Усилители класса D делятся на 3 основных типа:

1) Усилители с внешним генератором пилообразного напряжения (рис.
2.1);

2) Самоосцилирующие усилители (рис. 2.2);

3) Усилители на основе микроконтроллеров со встроенным АЦП.

Рис.2.1- Структурная схема усилителя класса D с внешним генератором пи­лообразного напряжения.

Вход звукового сигнала

Рис.2.2- Структурная схема самоосциллирующего усилителя класса D.

Усилители с внешним генератором пилообразного напряжения наиболее просты в изготовлении и наладке, обладают меньшими требовани­ями к топологии печатной платы и компонентам по сравнению с усили­телями самоосциллирующего типа. Именно эти усилители в настоящее вре­мя являются самыми распространенными среди серийных моделей как сабвуферных усилителей, входящих в состав автомобильных акустических систем, так и широкополосных профессиональных, эстрадных усилителей. Самоосциллирующие усилители работают как автогенераторы, в них колеба­тельный процесс проходит и поддерживается

за счет использования положительной обратной связи. Этот тип усилителей отличается более высокими требованиями к топологии печатной платы, но при тонком подходе к этому вопросу качество звуковоспроизведения данного типа усилителей значительно превосходит остальные.

Самоосциллирующих усилителей класса D имеет название UcD, он был разработан и запатентован компанией NXP Semiconductor (ранее -Philips Semiconductor) в 2005 году. Структурная схема такого усилителя представлена на рис. 2.3.Он сочетает в себе гениальную простоту и высо­чайшее качество звука. Оригинальные модули UcD, которые производит компания Нурех имеют совсем неглубокую обратную связь (около 30 дБ)

по сравнению с усилителями класса АБ (у которых глубина ОС - в рай­оне 60 дБ), и умеренно низкий уровень искажений, порядка 0, 03%.

Рис.2.3- Структурная схема усилителя класса D, работающего по принципу UcD.

В связи с появлением усилителей класса D, выполненных по тех­нологии UcD, перспективы у данного класса усилителей существенно по­высились. Теперь они могут применяться для построения не только быто­вых аудиосистем, но и профессиональной техники, например концертного и студийного оборудования, трансляционных усилителей, профессиональ­ного оборудования для кинозалов и развлекательных комплексов, автомо­бильных акустических систем. Главными факторами успешной конкуренции усилителей UcD даже с топовыми моделями классов А и АВ стали высо­чайшее качество звукопередачи и высокий КПД, достигающий 97%, а так­же низкая себестоимость. Еще один серьезный плюс усилителей класса D -это отсутствие тепловых искажений.