Два последних десятилети ознаменовались повсеместным массовым вытеснением аналоговых методов обработки сигналов цифровыми (цифровая звукозапись, радиовещание, телевидение и т.д.). Тем не менее, в бытовой радиоэлектронной аппаратуре по-прежнему продолжают использоватьс (в том числе и на западе) в основном аналоговые методы усиления звуковых сигналов. Выходные транзисторы в усилителях мощности (УМ) работают в классах A, AB или в лучшем случае - B. Использование этих классов работы можно оправдать в стационарной аппаратуре, где требуетс высокая верность звука и не предъявляется жестких требований к КПД усилителя. В случае автономного питани (носимая аппаратура) расходование энергии гальванических элементов на разогрев радиаторов выходных транзисторов УМ кажется мне не позволительной роскошью.

Сэкономить электроэнергию а, следовательно, продлить жизнь гальванических элементов можно использу режим усиления сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ).

Такой режим усиления звуковых сигналов широко применяется в мощных радиопередающих устройствах, работающих с амплитудной (модуляци анодного напряжени выходного каскада) или однополосной модуляцией (ОМ) (метод Канна, который заключается в раздельном усилении амплитудных и фазовых составляющих ОМ сигнала) [1].

Принцип работы усилителей этого класса, получившего название класс D, состоит в том, что выходной каскад возбуждается импульсами прямоугольной формы. Скважность последовательности импульсов должна быть пропорциональна амплитуде усиливаемого сигнала [2].

Усилитель ШИМ позволяет получить более высокий, чем у усилителей класса B, КПД. Это преимущество особенно проявляется в малосигнальном режиме (при усилении сигналов низкого уровня), а так как реальный звуковой сигнал имеет большие динамический диапазон и пик-фактор, то преимущество ШИМ усилителя над обычным аналоговым оказываетс весьма существенным. На рис. 1 представлены типовые зависимости значений КПД усилителей классов B и D от выходного напряжения [3].

Кроме того, в усилителях этого класса возможен режим непосредственного усиления цифровых сигналов (без преобразования в аналоговую форму).

На рис. 2 показана структурна схема и поясняется принцип работы ШИМ-усилителя в случае, когда на его вход подается аналоговый сигнал. Генератор на входе вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов с постоянной частотой следования f_s. Следующий за ним интегратор преобразует прямоугольные импульсы в треугольные. Функцию непосредственно модулятора выполняет компаратор, который сравнивает эти полученные сигналы U_R(t) с входным звуковым сигналом U_e(t). Сигнал на выходе компаратора имеет вид последовательности прямоугольных импульсов с частотой следования f_s. Ширина этих импульсов пропорциональна амплитуде (мгновенным значениям) входного сигнала. Затем последовательность прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме (в режиме насыщения). Фильтр НЧ подавляет несущую f_s, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции, после чего на выходе получается усиленный аналоговый сигнал. Как это следует из теоремы отсчетов, частота дискретизации f_s, как минимум, должна быть вдвое больше максимальной частоты передаваемого сигнала f_e.

Процессы коммутации (как и не линейные элементы схемы) вызывают появление боковых полос с частотами nf_s ± mf_e. Коэффициент нелинейных искажений высококачественных усилителей класса D лежит, как правило, в пределах от 0,01 до 0,1 %.

Приведенный на рис. 2 способ реализации ШИМ усилителя не являетс единственно возможным. Существует 6 разновидностей усилителей класса D. Один из основных критериев разделени способов ШИМ - это количество различаемых уровней импульсов, а именно два (+U_max и - U_max) или три (+U_max, - U_max и 0) уровня. Первый вид соответствует так называемому режиму AD, второй - режиму BD. Разновидности ШИМ отличаются и способом изменения ширины импульсов. По этому признаку различают одностороннюю и двустороннюю ШИМ. Кроме того, способ двусторонней ШИМ может быть реализован путем симметричного смещения фронтов относительно только одного периода дискретизации ("one sample") или по двум периодам ("two sample"), что позволяет вдвое уменьшить частоту коммутации (эффективная тактова частота).

Расчеты нелинейных искажений позволяют сделать следующие обобщающие выводы. В режиме AD искажения меньше, чем в режиме BD. Симметричная ШИМ благоприятнее способа модуляции смещением одного фронта, поскольку при ее реализации исключаются четные искажения [3].

На рис. 3 приведена схема электрическа принципиальна стереофонического ШИМ усилителя, работающего в классе AD с двусторонней симметричной ШИМ, а, следовательно, вносящего потенциально минимально возможные искажения в усиливаемый сигнал. При создании данного усилителя автор использовал широко распространенную, дешевую элементную базу. Следствием этого был выбор низкой частоты дискретизации, котора составляет 45 кГц (чуть выше минимально возможной дл звуковых сигналов). Это является вполне оправданным в аппаратуре невысокого класса, к которой принадлежат все носимые и большинство автомобильных звуковоспроизводящих устройств.

Основные электрические характеристики усилител приведены в таблице 1.

Таблица 1

Номинальную выходную мощность, развиваемую усилителем на произвольном сопротивлении нагрузки можно рассчитать по формуле:

,

где U_П - напряжение питания, R_Н и R_CU - сопротивлени нагрузки и катушек L1, L2 соответственно.

Пикова музыкальная мощность превосходит номинальную примерно в 2 раза.

Рассмотрим работу схемы, изображенной на рис. 3. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий последовательность импульсов с частотой следования 90 кГц. Элемент DD2.1 формирует из этих импульсов меандр (скважность 50%) с частотой следования 45 кГц. При наличии высокого уровня на выводе 1 микросхемы DD2 через диод VD1 и источник тока VT1 происходит заряд емкости С9, а при низком уровне - емкость С9 разряжается через диод VD6 и источник тока VT2. Таким образом, на емкости C9 получаются импульсы треугольной формы. Эти импульсы являются опорным напряжением и поступают на один из входов компараторов, в качестве которых используютс операционные усилители DA1 и DA2. На другой вход компаратора поступает усиливаемый звуковой сигнал. Схемы левого и правого каналов усилител идентичны, поэтому в дальнейшем рассматриваем один из них. Резисторы R2, R4 и R6 предназначены дл задания уровня постоянной составляющей во входном звуковом сигнале и обеспечивают 50% скважность импульсов на выходе усилителя при отсутствии звукового сигнала на входе.

После сравнения звукового и опорного треугольного сигнала компаратором DA1 получается ШИМ сигнал. Присутствующие в нем импульсы высокого уровн заряжают емкости С5, С7 через резистор R9 и диод VD3 соответственно. Импульсы низкого уровня разряжают емкости С5, С7 через диод VD2 и резистор R10 соответственно. На выходе элемента DD1.3 формируетс импульсный сигнал с задержкой заднего фронта (рис.4а), а на выходе элемента DD1.4 - переднего (рис. 4б). Эти задержки необходимы дл компенсации времени рассасывания зарядов в базовых областях транзисторов выходного каскада и предотвращени сквозных токов. Подобные схемотехнические решени широко используются в импульсных источниках питания. Зная длительность рассасывания избыточных носителей в базовой области транзистора можно, сократить длительность импульса возбуждени точно на это же время. Это требует достаточно сложных схемотехнических решений и значительно проще на это же врем задержать момент открыти второго транзистора. Побочным эффектом данного компромисса являетс небольшой фазовый сдвиг усиливаемого звукового сигнала особенно заметный на высоких частотах, затрудняющий введение отрицательной обратной связи, зато значительно улучается КПД усилителя, и уменьшаются нелинейные искажения.

Транзисторы VT3, VT4, VT7,VT8, VT11, VT12 выполняют функцию дальнейшего усиления импульсного сигнала. Выходной каскад усилителя собран по схеме Дарлингтона (составной транзистор). Диоды VD7 и VD11 предназначены дл ограничения выбросов напряжения на коллекторах составных транзисторов и защищают их от лавинного пробоя. После прохождени сигналом емкости С20, с помощью диода VD9 производится выпрямление его отрицательной составляющей, котора используется дл уменьшения времени рассасывания избыточных носителей в базах транзисторов VT7, VT11, VT12, в течение которого ток коллектора продолжает оставаться таким же, как и в режиме насыщения.

После интегрировани импульсного сигнала в индуктивность L1 выходного фильтра, усиленный аналоговый сигнал поступает на головку громкоговорителя. В принципе, от выходного фильтра можно вообще отказаться, в этом случае интегрирование будет произведено непосредственно в индуктивности головки громкоговорителя, однако это приведет к некоторому ухудшению КПД усилителя и его электромагнитной совместимости.

Дл обеспечения стабильности тактовой частоты (не зависимости ее от напряжения питания) и уменьшения статической ошибки компаратора, питание всех микросхем усилителя осуществляетс от стабилизированного источника, собранного на интегральном стабилизаторе DA3.

В зависимости от сопротивления нагрузки элементы выходного фильтра рассчитываются по формулам:

,

,

,

где R_Н - сопротивление нагрузки (Ом), F_В и F_Н - верхняя и нижн граничные частоты усиления (Гц).

Как и в обычном аналоговом стереофоническом усилителе, выходную мощность в описываемом устройстве можно увеличить почти в 4 раза, применив мостовую схему включения УМ. Для этого необходимо поменять местами выводы 2 и 3 операционного усилителя DA2 и подключить нагрузку, как показано на рис. 5.

Теперь о регулировке усилителя. Установить движок резистора R6 в среднее положение, а R9 и R10 в крайнее правое по схеме положение. Изменением сопротивления резистора R8 добиться равенства постоянной составляющей напряжения на емкости С9 половине напряжени питания элемента DD2. После этого проконтролировать размах треугольных импульсов на входе 3 компаратора DA1. В случае необходимости подбором емкости С9 добиться, чтобы размах треугольных импульсов (от пика до пика) составил 2..2,3 В. Снова резистором R8 выставить постоянную составляющую напряжения на емкости С9. Контролируя потребляемый усилителем ток, медленно уменьшать сопротивлени резисторов R9 и R10 до начала лавинообразного нарастания, потребляемого усилителем тока. Зафиксировать движки этих резисторов перед моментом начала роста потребляемого тока. В последнюю очередь резисторам R6 устанавливают скважность импульсов на коллекторе транзистора VT11, равной 50%, при отсутствии звукового сигнала на входе усилителя.

Необходимо отметить, что электротехнические характеристики усилителя, приведенные в таблице 1, в значительной степени зависят от его конструктивного оформления, поэтому необходимо поговорить о его конструкции.

Одним из основных требований, предъявляемым к реактивным элементам L1, L2, C24, C25 является требование весьма малых потерь энергии в них на частоте коммутации, особенно в индуктивном звене фильтра. Поэтому для обеспечени высокого КПД усилителя в целом необходимо обеспечить высокую добротность индуктивного звена фильтра. Эти характеристики определяются типом сердечника катушки (наиболее благоприятно вообще обойтись без последнего, но в этом случае вырастут габариты фильтра), который должен иметь не только малые потери в спектре ШИМ сигнала, но и обеспечивать постоянство величины магнитной проницаемости в широком диапазоне намагничивающего поля. Из отечественных магнитных материалов подойдут альсиферовые сердечники серий ТКЧ-32 - ТКЧ-55, возможно также применение тороидальных ферритовых сердечников с зазором в магнитной цепи дл устранения насыщени сердечника.

Элементы VD1, VD6, VT1, VT2, R8, C9 расположены в непосредственной близости друг от друга и от микросхемы DD2. Конденсаторы С12, С13 необходимо разместить не далее чем в 10 мм от стабилизатора DA3, а С10, С11, С14, С15 - от транзисторов VT12, VT14. Емкости С16.. С19 установлены в непосредственной близости от микросхем DD1, DD2, DA1, DA2 соответственно.

Все детали усилител монтируются на двусторонней печатной плате, изготовленной из фольгированного стеклотекстолита.

Дл обеспечени электромагнитной совместимости усилителя с радиоприемными устройствами ДВ и СВ диапазонов его желательно поместить в экран из тонкой листовой меди или латуни. На выходных транзисторах усилител рассеивается весьма мала мощность при любых уровнях выходного сигнала, следовательно, отпадает необходимость использовать радиатор дл отвода тепла от них, как это делается в аналоговых усилителях.

Для более достоверной оценки качества усилител автором была произведена экспертная оценка его звучания. При этом его звучание сравнивалось с примерно аналогичным по электроакустическим характеристикам усилителем собранном на интегральной микросхеме К174УН14. Описываемый усилитель, на мой взгляд, имел более предпочтительное звучание, чем интегральный.

Объяснить это можно, по-видимому, тем, что усилители класса AD не имеют таких недостатков, характерных дл усилителей класса B, как переходные искажени первого (ступенька) и второго (временные задержки сигнала, вызванные процессами коммутации, приводящие к ВЧ выбросам) рода. Переходные искажени первого рода легко уменьшаются введением глубокой отрицательной обратной связи (ООС), однако переходные искажения второго рода уменьшить с помощью ООС невозможно. Это объясняется тем, что при увеличении частоты снижается общее петлевое усиление, усиление в окрестностях нулевой точки мало, а также тем, что в режиме насыщени транзистор становитс практически не управляемым извне [3].

Также на качестве звучани положительно сказываетс то обстоятельство, что приведенные в таблице 1 искажения достигаются без использования общей ООС, которая при низкой частоте первого полюса АЧХ усилителя с разомкнутой цепью ООС и при большой глубине последней (как в К174УН14) может стать источником значительных TIM-искажений [4].

Кроме того, при измерении нелинейных искажений описываемого усилителя с помощью анализатора спектра MARCONI TF2371 было замечено, что основной вклад в нелинейные искажения вносит вторая и третья гармоники, которые менее заметны на слух, чем более высшие составляющие [5]. Спектрограмма синусоидального сигнала частотой 1 кГц на выходе усилителя при выходной мощности 5 Вт приведена на рис. 8. По соотношению амплитуд первых трех и всех остальных гармонических составляющих, описываемый усилитель, напоминает ламповый усилитель (мягкое ограничение). Мягкое ограничение, по видимому, обусловлено выбранным методом формировани треугольных импульсов, при котором происходит небольшое искажение их формы вблизи вершин.

В заключение, мне хотелось бы отметить, что дл совместного использовани описанного усилителя с УКВ приемником, перед подачей звукового сигнала на вход усилителя, необходимо позаботится о фильтрации надтональных составляющих, которые присутствуют в сигнале при приеме стереофонических станций при использовании стереодекодеров не высокого класса.

Литература