Підсилювачі класу D

Суттєвим недоліком підсилювачів класу А, АВ, В є залежність величини коефіцієнта корисної дії від амплітуди підсилюваного сигналу, причому меншій амплітуді сигналу відповідає менша величина коефіцієнта корисної дії. У випадку підсилювачів класу D активний підсилювальний елемент працює у ключовому режимі, тобто більшу частину часу знаходиться в стані відсічки або насичення. В першому випадку спад напруги на підсилювальному елементі великий, проте протікаючий струм дуже малий. У другому – протікаючий струм великий, але спад напруги малий.

В обох випадках розсіювана на підсилювальному елементі потужність мала. Отже, використання транзисторів із високими ключовими характеристиками дозволяє підвищити коефіцієнт корисної дії практично до 90 – 95%.

Характерно, що в цьому випадку, незалежно від амплітуди підсилюваного сигналу, величина коефіцієнту корисної дії залишається незмінною.

Використання підсилювачів класу D розв’язує питання підвищення коефіцієнта корисної дії, проте виникає ряд труднощів, а саме:

1) забезпечення роботи підсилювального елемента у ключовому режимі вимагає введення до структури підсилювача блоку широтної або частотної модуляції підсилювального сигналу;

2) прямокутні імпульси, сформовані модулятором, займають досить широкий спектр, отже, діапазон підсилюваних частот підсилювачів імпульсів повинен бути достатньо широким;

3) робота підсилювального елемента у ключовому режимі приводить до збільшення величини нелінійних спотворень;

4) комутація потужних сигналів ключовим елементом зумовлює виникнення значного рівня перешкод, що погіршує роботу самого підсилювача й погіршує умови електромагнітної сумісності з іншими приладами. На структурному рівні підсилювач класу D має наступний вигляд:

Рис.3.11. Структурна схема підсилювача потужності класу D.

ДПС – джерело підсилюваного сигналу; ШІМ – широтно-імпульсний модулятор; ПІ – підсилювач імпульсів; КП – ключовий підсилювач; ФНЧ – фільтр низької частоти; Rн - навантаження.

Широтноімпульсний модулятор перетворює вхідний сигнал у послідовність прямокутних імпульсів однакової амплітуди, але різної тривалості. Підсилюваний сигнал, відразу після широтнімпульсної модуляції (ШІМ), подається на підсилювач імпульсів який підсилює амплітуду прямокутних імпульсів до необхідного значення. Для ефективного керування потужним транзистором використовують підсилювач імпульсів. Крім збільшення амплітуди імпульсної послідовності за допомогою ПІ можна покращити фронт та зріз імпульсу, що сприяє зростанню ККД оскільки транзистори ключового підсилювача меншу частину часу будуть знаходитись в активній області тобто області в якій розсіювана на транзисторах КП потужність суттєво зростає.

ФНЧ виконує функцію своєрідного демодулятора, тобто функцію виділення корисного сигналу з послідовності прямокутних імпульсів.

У випадку підсилювачів класу D розрізняють два основних різновиди ШІМ – інвертуючий та не інвертуючий. У першому випадку структурна схема модулятора має вигляд, наведений на рис. 3.12.

Рис.3.12. Інвертуючий широтно імпульсний модулятор: а) структурна схема; б) осцилограми сигналів ШІМ модулятора. де ДПС – джерело підсилювального сигналу; Г – генератор сигналів трикутної форми; ПП – пороговий пристрій.

Середнє значення амплітуди широтноімпульних коливань є інверсним відносно вхідного модульованого сигналу.

Принцип роботи схеми інвертуючого ШІМ є наступний.

З допомогою порогового пристрою здійснюється порівняння амплітуд сигналів генератора трикутної форми та амплітуди перетворюваного сигналу. Якщо U_Г < U_С, то на виході ПП формується низький рівень сигналу. При U_Г ³ U_С на виході ПП формується високий рівень сигналу. Частота слідування імпульсів визначається частотою слідування сформованих генератором імпульсів трикутної форми. Напруга генератора має трикутну форму з лінійним зростанням і спаданням, причому тривалість прямокутних імпульсів на виході порогового пристрою дорівнює інтервалу часу, протягом якого .

Структурна схема й основні осцилограми не інвертуючого ШІМ наведено на рис.3.13

Рис.3.13. Не інвертуючий широтно імпульсний модулятор: а) структурна схема; б) осцилограми сигналів ШІМ модулятора.

З допомогою суматора сигнал генератора модулюється перетворюваним сигналом. Пороговий пристрій у даній схемі порівнює цей просумований сигнал з деяким фіксованим рівнем U0ПП. Принцип роботи ПП залишається тим же,як і в попередній схемі, а саме:

– формується високий рівень вхідного сигналу.

– формується низький рівень вихідного сигналу.

Дата добавления: 2014-11-18