Усилитель класса D

[isx]

Доброй всем ночи!!
Собирал я уси ранее на TDA-шках, и думал, что так оно и быть должно. Но вот случайно наткнулся на класс D, и задумался...
Не могу представить себе процесс формирования ШИМ-а из звуковой частоты и звука из ШИМ-а.
Я так понимаю, что звук сначала разбивается на мелкие сигменты, которые содержат сигнал одной частоты. Далее на ШИМ-генератор посылается команда, сгенерировать такую-же частоту прямоугольных импульсов. Но по мне таки, это глупость какая-то .... Помогите пожалуйста понять принцип данных преобразований. В инете многого поначитал, но этот момент всегда соскальзывает...
И не понятно, как регулируется мощь выходного сигнала, ведь шим формирует только прямоугольники.. Если только по методу обратной связи с регулировкой по напряжению/току (как например та же TL494 в ИПБ)...

[Котёнок.]

Почитайте здесь о самом простом усилителе класса «D» и все будет понятно.
Частота импульсов намного больше высшей звуковой частоты, а ширина импульсов меняется в такт звука.
viewtopic.php?p=1225895#p1225895

Я вот когда то давным давно делал вот такой.
Все работало.

Это самый простейший и само собой примитивный способ, но он работает и прост в понятии.

[hybroid]

Вроде бы Сэрром Муром была написана отличная статья про класс D на этом сайте, ищите..

Хм. Вот, за вас сам нашёл: http://radiokot.ru/start/audio/amplifiers/03/

[isx]

Статейки прочёл... Спасибо за ссылки
И получается, что при таком раскладе и при частоте пилы в 100КГц, при отсутствии входного сигнала будет подаваться прямоугольник в 100КГц аналогичный прямоугольнику генератора?

[hybroid]

Да. Но он потом интегрируется на выходе. И при отсутствии сигнала там будет не прямоугольник, а в худшем случае какие-то "шальные" полоски, компаратор не должен давать увеличивать ширину импульса, пока нет сигнала.
Частота в таких усилителях задана обычно в разы выше максимальной частоты нужной полосы. Серийно выпускаемые микросхемы усилителей класса Д молотят вплоть до 1МГц. Но 400кГц уже выше крыши, их достаточно просто интегрировать и от них ничего не останется в выходном сигнале.

[isx]

Далее получается, что после интегрирования появляется прямоугольник, но разбитый на много частей. Частота такого сигнала будет в сотни киллогерц. Как тогда они превратятся из такой высокой частоты в звуковую?

[isx]

Или же после интегрирования сигнал преобразуется в синусоиду? Тогда интегрирование должно происходить ПОСЛЕ силовых транзисторов (к примеру), иначе из-за синусоиду они опять будут работать в линейном режиме. Но тогда интегратор должен быть очень мощным, ведь работать ему придётся с сотнями Ватт...
Что то я запутался... Поправте пожалуйста

[B@R5uk]

Интегратор -- это LC-фильтр. Ему плевать с какими мощностями работать, до тех пор, пока напряжения не превышают пробивное напряжение конденсатора, а токи не превышают токи плавления проволоки катушки. Если катушка с сердечником, то ситуация осложняется возможностью его насыщения.

[YS]

Да, интегрируют уже после. В этом все преимущество - выходные транзисторы работают в ключевом режиме, и потому рассеиваемая мощность чрезвычайно мала.

Интегратор можно вообще не ставить. Динамическая головка с успехом интегрирует и сама за счет инерции механической системы. Хотя в принципе, не проблема и намотать катушку проводом толщиной в палец, если это концертный усилитель на 100500 киловатт.

[Сэр Мурр]

Интегратор можно вообще не ставить. Динамическая головка с успехом интегрирует и сама

Да, современные УНЧ D-класса обходятся без дросселей.

[YS]

Если усилитель и правда мощный, и провода до колонок длинные, лучше все же интегратор поставить, чтобы меньше помех излучало.

[isx]

А интегратор получается рассчитывается под частоту ШИМ-а?
И по работе компаратора вопрос. Получается их 2 должно быть? Один работает с положительным полупериодом входящего сигнала, а другой с отрицательным....
И пила получается тоже по фронтам обрезается?
И амплитуда пилы получается должна быть равной пиковой амплитуде входящего сигнала?

[YS]

А интегратор получается рассчитывается под частоту ШИМ-а?

В идеале интегратор (ФНЧ) должен давить все, что выше максимальной частоты сигнала. А частота ШИМ должна быть как можно выше.

В реальности срез фильтра делают где-то рядом с максимальной частотой сигнала (ну, для звука можно положить 30КГц, чтобы ВЧ не особо давить по уровню -3dB, у LC-фильтра спад не очень), а частоту ШИМ выбирают в районе 400КГц.

Получается их 2 должно быть? Один работает с положительным полупериодом входящего сигнала, а другой с отрицательным...

Зависит от схемотехники. Можно сделать двуполярное питание, можно подмешать постоянную составляющую во входной сигнал, можно как-нибудь еще. Зависит от конкретной реализации схемы.

И пила получается тоже по фронтам обрезается?

В смысле? От самой пилы в выходном сигнале ничего нет. Ее вообще может не быть, если это, скажем, ШИМ, вырабатываемый микроконтроллером.

И амплитуда пилы получается должна быть равной пиковой амплитуде входящего сигнала?

Да. Но это легко решается предусилителем-формирователем.

[isx]

И пила получается тоже по фронтам обрезается?

Это я о том, что если делить входной сигнал на положительный и отрецательный, а затем через два компаратора сравнивать с пилой, то нам в одном случае надо взять положительный период пилы, а во втором отрицательный...
Я так понимаю компаратор не может работать и с отрицательным и с положительным сигналом... Или я не прав?

[YS]

Я так понимаю компаратор не может работать и с отрицательным и с положительным сигналом...

Еще раз, все зависит от конкретного схемного решения.

Я бы, например, тупо добавил ко входному сигналу постоянное смещение, равное амплитуде, и вообще работал бы без всяких отрицательных потенциалов. А на выходе развязал бы конденсатором. Или вообще мост поставить можно.

[isx]

Ясно... Спасибо большое за пояснение
МДЯ.... Нужно заводить осциллограф, чтоб видеть и экспериментировать. Закрытыми глазами, однако, работать тяжко

[B@R5uk]

Где-то тут или в приведённых ссылках мелькнула фраза об использовании сигма-дельта-АЦП вместо пилы и компаратора для формирования ШИМ-сигнала. Я серьёзно над ней задумался. Ведь действительно, сигма-дельта-последовательность -- это и есть своеобразный ШИМ, однако гораздо более сбалансированный по многим критериям, чем классический ШИМ, полученный пилой и компаратором.

Я тут поприкидывал, и получил такие красивые картинки:

Спойлер

На первом графике: чёрным -- исходный сигнал (амплитуда 1 В, частота 110 Гц), зелёным -- сформированная по нему сигма-дельта-последовательность (опорное напряжение 2 В, частота дискретизации 10 кГц).
На втором графике: зелёным -- разность исходного и сформированного сигналов (т.н. ошибка), чёрным -- интеграл ошибки (постоянная времени интегрирования 2*10^-4 сек). По горизонтали время в секундах.

Каким сигнал будет после фильтрации полученного ШИМа ещё не рассчитывал.

Спойлер

Здесь: амплитуда сигнала 1,9 В, частота 220 Гц. Остальные параметры те же.

Получается такая структурная схема УМЗЧ будущего: Сигма-дельта-АЦП => Мощный ключ на мосфетах => фильтр+нагрузка. К сожалению, линеаризирующую ООС приткнуть негде. Если фильтра НЧ нет, то понятно почему, а если есть, то возникают проблемы со стабильностью из-за непредсказуемых фазовых задержек.

У тактируемой SD-последовательности есть ещё один серьёзный недостаток. Если отношение амплитуды исходного сигнала к величине опорного напряжения будет меньше чем отношение частоты сигнала к тактовой частоте (частоте дискретизации), то на выходе будет ШИМ постоянной скважности, то есть полезный сигнал будет отсутствовать.

[YS]

К слову, о практике. Вот, усилитель на 70Вт практически на коленке.

Нужно заводить осциллограф

Это да. К сожалению, это один из самых дорогих приборов общего назначения (понятное дело, есть всякие спецдевайсы, средняя цена которых еще выше).

[isx]

Где-то тут или в приведённых ссылках мелькнула фраза об использовании сигма-дельта-АЦП вместо пилы и компаратора для формирования ШИМ-сигнала.

Я тоже как то читал про него, вот только пока понятия не имею что он из себя представляет... Вечером домой приеду гляну что к чему

К сожалению, это один из самых дорогих приборов общего назначения

С этим не поспоришь

[B@R5uk]

Я тут кстати замутил сигма-дельта-модулятор. На К155ЛА3 -- RC-генератор, на К155ТМ2 -- триггер, на трёх К544УД2А, -- соответственно, входной сумматор, интегратор и компаратор. Вроде работает. Звук слушал в наушниках с выхода триггера, замутить силовую часть не было времени. Тактовую частоту не измерял, но она слышна, значит в звуковой области. Дельта-сигма-последовательность хоть и цифровая, но вполне себе несёт аналоговый сигнал. Музыка, подаваемая на вход, в наушниках в низкочастотной области была слышна без искажений, на сколько можно было это судить, слушая сквозь высокочастотный шум.

Из недостатков реализации.
Во время отсутствия сигнала были слышны потрескивания. Причины не понятны.
При регулировании тактовой частоты высота тона не различима, хотя слышно, что высота меняется. Возможно стабильность частоты крайне низкая.