Семь шагов в электронику - А. Черномырдин

Рассмотрим функциональную схему усилителя класса D (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Функциональная схема усилителя класса D

Генератор (I) выдает в схему треугольное (либо, как вариант, пилообразное) напряжение. Следуя аналогии с утюгом, это — температура утюга, изменяющаяся во времени. Это напряжение поступает на один вход блока сравнения (II), на второй же вход блока сравнения поступает образцовый сигнал — это «уровень», на который настроен наш терморегулятор.

Если сигнал с первого входа становится больше сигнала на втором входе («утюг перегрелся»), то блок сравнения отключает ключ (III) — это «нагреватель» нашего «утюга». В результате этого среднее значение тока, текущего через динамическую головку (IV), становится пропорционально соотношению времени включенного и отключенного состояния ключа, которое напрямую зависит от величины эталонного сигнала. Роль же тепловой инерции утюга выполняет в данном случае масса диффузора головки.

Эта масса очень мала, но если генератор вырабатывает частоту в десятки и даже сотни килогерц (как оно обычно и бывает), даже этой небольшой массы становится вполне достаточно, чтобы сгладить колебания диффузора.

Осталась самая малость — вместо образцового сигнала подать на вход блока сравнения звуковой сигнал — и усилитель зазвучал!

 Примечание.

Хочется обратить внимание читателя на то, что сигнал на выходе усилителя класса D совершенно не похож на входной. Это не причудливо изгибающаяся кривая, как это имеет место в обычном усилителе, а «чистый» прямоугольный сигнал с постоянной частотой, равной частоте работы генератора пилообразного напряжения, и все время изменяющимся в такт со звуком соотношением длительности «включенного^ и «выключенного» состояний.

Говорить о коэффициенте нелинейных искажений непосредственно для самого выходного сигнала здесь просто бессмысленно (формально ведь сигнал искажен настолько, что вообще не похож на входной). Поэтому этот термин в усилителях класса D применяют к среднему значению выходного сигнала, либо просто судят о нем «на слух».

Прежде чем начать изготовление усилителя класса D, следует сказать о его обязательной компоненте — выходном фильтре. Он должен:

♦ пропускать на выход усилителя «низкочастотную» составляющую сигнала;

♦ задерживать частоту работы генератора треугольного сигала (или «пилы») и всех ее гармоник.

Делать это нужно по двум причинам — во-первых, чтобы усилитель не излучал помехи в эфир, и, во-вторых, чтобы не разогревать магнитную систему динамических головок (напомним читателю — в промышленности токи высокой частоты используются для плавки и закалки металла).

Схема такого фильтра приведена на рис. 4.2, и именно ее нужно изготовить в первую очередь.

Рис. 4.2. Принципиальная схема выходного фильтра

Элементная база. Дроссель фильтра наматывается на ферритовом кольце М1000НМ К40х25х12 и содержит 2х160 витков провода МТГФ-0,12, расход провода — 2x7 м.

Намотку дросселя следует вести в два провода:

♦ начала обмоток подключаются в схему усилителя;

♦ концы обмоток подключаются к акустической системе.

 Внимание.

Подключать к усилителю класса D акустические системы без этого фильтра крайне нежелательно.

И еще одно предостережение — если в усилитель класса D все-таки потребуется установить небольшие радиаторы, транзисторы на них обязательно устанавливайте через изолирующую прокладку: электрически соединенный с корпусом транзистора радиатор излучает в эфир до 10–15 % выходной мощности усилителя, а вы же все-таки не передатчик делаете!

Итак, первая схема нашего усилителя будет собрана… на микросхемах.

Принципиальная схема. Резонный вопрос — «почему не на транзисторах», и традиционный ответ на него — очень плохая повторяемость транзисторных вариантов усилителей класса D. Схема усилителя класса D на микросхемах приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Принципиальная схема усилителя класса D на микросхемах

Генератор пилообразного напряжения собран на микросхеме таймера DA1. Для обеспечения линейности «пилы» здесь использован генератор тока, собранный на полевом транзисторе VT1.

Пилообразное напряжение с конденсатора С1 поступает на один вход компаратора DA2. На второй вход компаратора поступает звуковой сигнал. На выходе компаратора образуется готовый прямоугольный сигнал, который теперь нужно просто усилить. Этим занимается выходной каскад на транзисторах VT2—VT4.

Примечание.

Обращаю внимание читателя — в усилителях класса D обратных связей, как правило, не бывает.

Поясню почему:

♦ во-первых, «испортить» сигнал, имеющий всего два значения, — это нужно суметь (!);

♦ во-вторых, в силу абсолютной непохожести выходного сигнала усилителя на входной, требуются довольно серьезные схемно-технические усилия, чтобы выделить из выходного сигнала нужную для обеспечения обратной связи компоненту.

Для обеспечения малых искажений сигнала в усилителях класса D бывает достаточно выполнить два требования.

Требование 1. Пилообразное (или треугольное) напряжение должно быть максимально линейным. В этом случае обеспечивается максимальная линейность преобразования входного сигнала в выходной (именно по этой причине в схеме и применен генератор тока на транзисторе VT1 вместо обычного резистора).

Требование 2. Величина сигнала, поступающего на компаратор, должна быть как можно большей. Это относится и к пилообразному, и к звуковому сигналу. Причина — любой компаратор имеет некоторую погрешность сравнения (в районе единиц или десятков милливольт), поэтому, чем больше входной сигнал, тем в меньшей степени сказывается эта погрешность на точность преобразования сигнала.

Следствием второго требования является очень низкая чувствительность усилителя. Если для обычных усилителей «стандартной» чувствительностью является 100–250 мВ, то для нормальной работы нашего усилителя потребуется 1–1,5 В, а то и больше. Поэтому усилитель класса D требует наличия, как минимум, одного дополнительного каскада усиления.

Печатная плата. Усилитель собран на печатной плате из одностороннего стеклотекстолита толщиной 1,5 мм размерами 45x35 мм.

Разводку печатной платы (в зеркальном изображении) можно скачать с диска, прилагаемого к книге («Видеоурок 4», файл 1.DXF) и посмотреть на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Разводка печатной платы (45x35 мм, в зеркальном изображении)

Схема расположения деталей приведена на рис. 4.5

.

Рис. 4.5. Схема расположения деталей

Внешний вид устройства приведен на рис. 4.6.

Рас. 4.6. Внешний вид усилителя класса D на микросхемах

Наладка. Настройка усилителя достаточно проста — нужно вместо динамической головки подсоединить к выходу лампу накаливания на напряжение не ниже напряжения питания усилителя, и, вращая резистор R3, добиться минимальной яркости ее свечения.

 Примечание.

Собранный нами усилитель— это, скорее, игрушка, призванная продемонстрировать возможности усилителя класса D, поэтому по ней даже не снят ролик.

Дело в том, что биполярные транзисторы в выходных каскадах усилителя класса D ведут себя не лучшим образом — у них достаточно большое падение напряжения в открытом состоянии, и достаточно большое время перехода из открытого состояния в закрытое.

Гораздо лучше в выходных каскадах усилителей класса D ведут себя полевые транзисторы, специально спроектированные для работы в ключевом режиме.

Принципиальная схема. Схема такого варианта усилителя приведена на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Принципиальная схема с выходным каскадом на полевом транзисторе

В ней пришлось применить одну импортную микросхему — драйвер полевых ключей IR2104 (аналогов ее наша отечественная промышленность не выпускает). Этот вариант усилителя ничем, кроме выходного каскада, не отличается от предыдущей схемы. Выходной каскад же собран по типовой схеме для микросхемы IR2104 и, в свою очередь, тоже никаких особенностей не имеет.