Схемотехнічна реалізація підсилювачів класу D

Схема найпростішого однотактного підсилювача класу AD матиме вигляд зображений на рис. 3.14.

Рис.3.14. Схема однотактного підсилювача класу AD.

При двохелементному LC-фільтрі, з допомогою якого виділяється корисний сигнал, параметри елементів фільтра розраховуються за формулами

де fmax - максимальна частота корисного підсилюваного сигналу.

Величина коефіцієнта корисної дії даної схеми в першому наближенні може розраховуватись за формулою

де r_нас. – опір транзистора в режимі насичення, R_Н – опір навантаження.

При виведенні цієї формули не враховувались втрати, обумовлені скінченністю величини тривалості фронту та зрізу, тобто не враховувались втрати енергії на транзисторі при його переході через активну область від стану насичення до відсічки і навпаки. Оскільки транзистор володіє власною внутрішньою паразитною електричною ємністю, то в режимі відсічки вона заряджається, а при переході транзистора в режим насичення відбувається її розряд. Це також вносить додаткові паразитні втрати енергії. До недоліків схеми (рис. 3.14) слід віднести те, що навантаження не заземлене, що створює певні технічні труднощі.

Рис. 3.15. Схема двох тактного підсилювача класу АD.

Вищі технічні характеристики забезпечуються двотактним підсилювачем класу AD. Двотактна схема, за своєю суттю, поєднує дві однотактні схеми підсилювача AD, що працюють на одне навантаження. Підсилювач живиться від двох джерел живлення різної полярності Е1 та Е2. Робота підсилювача ілюструється часовими діаграмами (рис.3.16). Підсилюваний сигнал подається на вхід ШІМ, де перетворюється в дві послідовності прямокутних імпульсів , , зміщених один відносно одного за фазою на 180º. Сигнали , підсилюються ідентичними підсилювачами імпульсів ПІ, і подаються на входи транзисторів VT1 та VT2 двотактного каскаду, при цьому в колекторних колах транзисторів формуються послідовності прямокутних імпульсів струму (третя осцилограма рис. 3.16). Після демодуляції ФНЧ струм, що протікає в аноді навантаження, не буде містити вищих гармонійних складових. Фаза коливань напруги на опорі навантаження протилежна фазі коливань вхідного сигналу.

Рис. 3.16. Осцилограми роботи двох тактного підсилювача класу АD.

Двотактна схема підсилювача класу AD відрізняється від однотактної тим, що при шпаруватості прямокутних імпульсів рівній двом, напруга на виході двотактного каскаду відсутня, оскільки струми плечей у навантаженні мають протилежний напрям і компенсують один одного. Цю властивість зручно використовувати для підсилення сигналу, що містить постійну складову. Для того, щоб на R_н не виділялась постійна складова, обумовлена асиметрією плечей двотактного каскаду, використовують два джерела живлення, або ємнісний подільник, і отже, джерело. В цьому випадку навантаження під’єднується до середньої точки ємнісного подільника чи спільної точки під'єднання двох джерел. Водночас, при малих рівнях вихідного сигналу, до елементів фільтра подається значна за величиною напруга (рис. 3.16), що підвищує вимоги до електричних параметрів цих елементів. Слід зауважити, що у двотактних підсилювачах класу AD при відкриванні одного з транзисторів вихідного каскаду напруга на ньому зменшується, а на транзисторі протилежного плеча – різко збільшується на ту ж величину. Внаслідок інерційних властивостей потужних транзисторів VT1 та VT2 вихідного каскаду можливе виникнення "наскрізного" струму. Цей струм виникає внаслідок того, що закривання, наприклад VT1, відбувається пізніше, ніж відкривання VT2 або навпаки. У результаті затримки в стані відсічки, можливий деякий відрізок часу, коли обидва транзистори VT1, VT2 знаходяться у відкритому стані й проводять електричний струм. Виникнення наскрізного струму не тільки знижує величину ККД, а й може привести до виходу з ладу транзисторів. Зазначені недоліки можна усунути, використавши підсилювачі класу BD. Принцип роботи цих підсилювачів такий же, як і класичних двотактних підсилювачів класу В, тобто кожна півхвиля підсилюється своїм плечем підсилювача.

У структурі підсилювача класу BD присутній блок селектора полярності, який здійснює розділення додатної півхвилі від від'ємної (селекція за полярністю) (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Двох тактний підсилювач класу ВD: а) схема двох тактного підсилювача; б) осцилограми роботи підсилювача.

Кожна з півхвиль поступає на свій каскад підсилення, при цьому підсилення додатної півхвилі здійснюється нижнім каналом, реалізована на транзисторі VT2. Транзистор VT3 відкритий протягом інтервалу часу, що дорівнює тривалості додатної півхвилі. Підсилення від'ємної півхвилі здійснюється транзистором VT1, при цьому VT3 - закритий, a VT4 - відкритий. Зміна стану транзисторів VT3, VT4 здійснюється з частотою підсилюваного сигналу. Напруга керування на входи вказаних транзисторів подається через допоміжний трансформатор гальванічної розв‘язки від джерела підсилюваного сигналу. Зміна стану транзисторів VT1, VT2 здійснюється з частотою модуляції. Отже, ми маємо ситуацію, коли різні за своїм типом провідності транзистори працюють в однакові півперіоди. Оскільки параметри VT1, VT2 (комплементарна пара) не можуть бути ідентичними, то це вносить асиметрію в роботу схеми, отже при сумуванні додатної та від'ємної півхвиль підсилюваного сигналу виникають додаткові нелінійні спотворення. В той же час у підсилювачах класу BD обійтися без комплементарних транзисторів у межах даного схемо технічного рішення неможливо. У зв'язку з цим більш широкого розповсюдження набула наведена нижче схема (рис.3.18).

Рис. 3.18. Схема двох тактного підсилювача класу ВD на ключових транзисторах одного типу провідності.

У даній схемі транзистори VT1, VT2 - однакового типу провідності й працюють на частоті модуляції. Однакові VT3, VT4 працюють на частоті підсилюваного сигналу. Порушення симетрії в даній схемі може бути обумовлено відмінністю в параметрах однотипних транзисторів. Відмінність може бути найменшою і прогнозовано меншою, ніж у випадку різнотипних транзисторів. В усіх наведених схемах з метою запобігання виникнення екстраструмів комутації реактивні елементи фільтрів зашпунтовані обернено-зміщеними діодами.

Підсилювачі класу D характеризуються рядом недоліків. Вони менш точно відтворюють форму підсилювальних коливань і мають на виході залишкові пульсації, що знижує їх динамічний діапазон. Крім того, реалізація крутих фронтів імпульсів вимагає дуже високих граничних частот транзисторів і створює значні радіоперешкоди в широкому спектрі частот.

Дата добавления: 2014-11-18