Усилитель класса D

[Андрей.]

как-то так
только синий - выходной V(12)

[KBH-I]

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.
...
Получается такая структурная схема УМЗЧ будущего: Сигма-дельта-АЦП => Мощный ключ на мосфетах => фильтр+нагрузка. К сожалению, линеаризирующую ООС приткнуть негде.
...

Уважаемые коты!

Я тоже много раз задумывался об "УМЗЧ будущего".
И тоже склоняюсь к мысли о D-классе и сигма-дельта модуляции (ДСМ).
Хотя возможно и High-End не бред фанатиков.
Поэтому мне думается, исходный сигнал нужно портить как можно меньше.
В смысле, какой сегодня источник наиболее чистого звука?
IMHO, цифровой: неважно, на каком носителе - важно отсутствие при воспроизведении исходного аналогового сигнала.
То есть - зачем сначала сигнал с цифрового носителя гнать через АЦП (кстати, тоже неизвестно какой), затем снова оцифровывать для УМЗЧ?
Может, сумеем таки осилить (скопом, все вместе) прямую подачу ДСМ с компа на вход УМЗЧ D-класса?

А вот "линеаризующая ООС" - явный избыток, IMHO: для получения звука High-End как раз необходимо избавляться от ООС.
При этом за постоянкой на выходе следить конечно придётся, так ведь можно с выхода проинтегрировать сначала RC-цепью (Например, с постоянной времени около 1 сек.), а получившуюся постоянку снова подать на комп через какой-нибудь АЦП. Потом как-нибудь математикой вычтем из входного синала, чтобы колонки не попалить.

Собственно, вопрос для начала только один: как известно, частота переключения выходных транзисторов при ДСМ выше, чем при ШИМ.
Так вот: а какую частоту достаточно обеспечить для такого УМЗЧ, как наш?
Высшую математику (т.е. как преобразовать поток данных из файла непосредственно в ДСМ и как вывести эту ДСМ за пределы компа) предлагаю считать вторым вопросом, т.е. отложить на потом.

[Gudd-Head]

какую частоту достаточно обеспечить для такого УМЗЧ, как наш?

Таки вы хотите цифровой частью сделать ДСМ?
При максимальном сигнале 20 кГц, думаю, надо за МГц.

[KBH-I]

... надо за МГц.

Это ясно любому котёнку. А можно как-то посчитать эту цифру?

[Gudd-Head]

Тут надо исходить из качества — от него и будет зависеть количество переключений за период.
Можно, конечно, попытаться поднатужиться и прикрутить к этому делу шумовую функцию ДСМ.

[KBH-I]

Понятно. Матан придётся копать таки самому...
(

[YS]

Матан придётся копать таки самому...

Та не, почитайте аппноуты производителей типа AD, TI, ST, etc. Где-то тут я уже давал ссылки. Второй раз искать лень.

[B@R5uk]

Уважаемые коты! Я тоже много раз задумывался об "УМЗЧ будущего". И тоже склоняюсь к мысли о D-классе и сигма-дельта модуляции (СДМ)...

Много разумных мыслей, но и очень много спорных утверждений. В частности приоритеты расставлены совершенно не верно. Давайте по порядку.

...Поэтому мне думается, исходный сигнал нужно портить как можно меньше.
В смысле, какой сегодня источник наиболее чистого звука?
IMHO, цифровой: неважно, на каком носителе - важно отсутствие при воспроизведении исходного аналогового сигнала.

Совершенно верно! Однако это применительно к будущему (возможно к ближайшему). Сегодняшние реалии таковы, что качественная (и не очень) аппаратура (будь то студии или домашняя акустика) как правило использует аналоговый обмен звуковыми сигналами. Вспомните, еще лет 10-15 назад все пользовались кассетными плеерами, а флэшек и в помине не было. Этот аналоговый пережиток будет долго ещё о себе напоминать. Чего только стоят фоннаты лампового звука.

А вот "линеаризующая ООС" - явный избыток, IMHO: для получения звука High-End как раз необходимо избавляться от ООС.

Большей глупости никогда не слышал! И дело тут не только в постоянке. Не бывает идеально ровных поверхностей, идеально точных размеров, идеально линейных электрических цепей! Вы зря не почитали статьи, ссылки на которые привёл YS на предыдущей странице. Там много действительно важной информации. Несколько моментов даже стоит здесь упомянуть.

1. УМЗЧ класса D обладает замечательной особенностью: маштабируемостью. Для того чтобы поднять максимальную мощность такого УМЗЧ необходимо только увеличить напряжение питание и поставить полевики с большим током и напряжением. Всё. Но за это приходится платить дорогую цену. Это происходит от того, что выходное напряжение равно напряжению питания умножить на (2 * D - 1), где D — коэффициент заполнения ШИМ. То есть любое изменение питания вызывает пропорциональное изменение выходного сигнала. Нестабильность напряжения питания всего лишь(!!!) 0,5% приведёт к целым(!!!) 0,5% искажений. Так что без ООС тут никуда.

2. Следующий момент тоже связан с напряжением питания, но немного в другом ключе. Если УМЗЧ класса D выполнен по полумостовой схеме и имеет в фильтре НЧ индуктивность, то имеет место следующий эффект. Когда заполнение ШИМ больше 50%, то происходит накачка нижнего плеча напряжения питания, а когда заполнение меньше 50%, то — верхнего. Проиходит перекачка энергии из одного плеча в другое, аналогично тому, как это делается в инвертирующих полярность источниках отрицательного напряжения. Это приводит к тому, что напряжение питания существенно изменяется, но не проседает (как в линейных УМЗЧ), а наборот подпрыгивает! Без ООС тут никуда.

3. Даже, если мы будем использовать полномостовую схему, то никуда не денется следующий источник нелинейностей. Дело в том, что ключевая схема работает таким образом, что между выключением верхнего и включением нижнего транзисторов имеется мёртвое время. Это приводит к тому, что при постепенном повышении выходного сигнала при определённом значении возникает ступенчатая нелинейность. В подробностях механизма я ещё, к сожалению, не разобрался, но этот момент описан в одной из статей, приведённых пользователем YS. Сюда же можно отнести эффект, заключающийся в том, что при накачке одной из шин питания индуктивностью фильра НЧ работает защитный диод транзистора, как следствие эффективное напряжение этой шины (по модулю) возрастает на величину напряжения падения этого диода. В то время, как эффективное напряжение другой шины питания чуть меньше из-за падения на транзисторе (хоть оно и мизерное). И здесь тоже без линеаризующей ООС тоже никуда.

Хочется заметить, что ООС в аналоговом варианте исполнять значительно проще, чем в цифровом. Эту проблему тоже необходимо решить.

А собственно, вопрос для начала только один: а какую частоту достаточно обеспечить для такого УМЗЧ, как наш?
Высшую математику (т.е. как преобразовать поток данных из файла непосредственно в СДМ и как вывести эту СДМ за пределы компа) предлагаю считать вторым вопросом, т.е. отложить на потом.

Эти два вопроса непосредственно связаны. Однако первый вопрос давно решён. А связаны они то той причине, что даже сигма-дельта модуляция бывает разной. Первого порядка, второго и так далее. Разница -- в спектре выдаваемого ШИМ. Чем больше порядок, тем в звуковом диапазоне меньше шума. Из этого в частности исходят при выборе частоты дискритизации (2 — 3 МГц). Я буквально сегодня на работе задумался: "А является ли сигма-дельта модуляция какого-либо порядка оптимальным решением? Или же для цифрового УМЗЧ D-класса можно придумать более совершенный механизм модуляции, дающий на порядок меньший шум в звуковом диапазоне при той же частоте дискритизации?" Возможно, это глупо, но всё же.

Я кстати собрал таки сигма-дельта модулятор (о чём писал выше) правда без силовой части (за неимением деталей), испытывал на нём зависимость качества звука от частоты дискритизации. Могу заверить, что 3 МГц в SACD выбрано не зря. =)))

Понятно. Матан придётся копать таки самому...

К сожалению, матан тут мало помогает, так как цифровые вещи он плохо переваривает. (Хотя тут может сказываться моя неграмотность). На мой взгляд, тут лучше использовать численное моделирование. Кстати, про это есть в одной из статей, приведённых товарищем YS.

В итоге, моё видение усилителя будущего такое: цифровой вход, процессор, грамотно рассчитывающий ШИМ и учитывающий кучу параметров, как минимум 3 АЦП, контролирующих шины питания и выходной сигнал (обязательно после фильтра НЧ), драйвер ключа, силовой ключ, фильтр (желательно порядка выше первого), цифровой импульсный БП, грамотная разводка ВЧ и силовых цепей. Короче геморроя полные штаны. А в интернете уже сейчас есть очень простые и хорошо работающие схемы.

[YS]

К сожалению, матан тут мало помогает, так как цифровые вещи он плохо переваривает.

В общем, я тоже не гуру матанализа, но импульсные последовательности вполне себе представляются через сдвинутые дельта-функции.

[KBH-I]

Спасибо, уважаемые коты!
Особенно YS за ссылки на 2-й стр., а B@R5uk за комментарии.
Вообще-то есть неплохие м/с D-класса, например, юзал однажды ТРА3123 - особенно интересно выглядит ООС в их даташите.
Есть у них и такие же, но с цифровым входом I2S (не путать с I2C!).
Качество звука вполне доросло до ВВК, т.е. сравнимо с аналоговыми м/с.
Для сегодняшнего дня неплохо. Можете пользоваться.
Здоровья вам и котят побольше.

P.S. "И всё-таки она вертится", как говорил один старый итальянец...

[kaetzchen]

кстати. есть микрухи PCM > PWM для прямого шимования прямо из цифры.

[Андрей.]

кстати. есть микрухи PCM > PWM для прямого шимования прямо из цифры.

например:

[Murlock]

для такого типа усилителей необходимы специализированныё источники питания, иначе шум и пульсации питания полностью угробят всё качество.

[m.ix]

Очень интересный эффект иногда наблюдается у уся D класса во время работы - если отключить и включить колонки.

[Murlock]

и чего это за эффект? если установлены противозвонныё диоды на выходе, то каг-бэ ничего особого быть и не должно. или это из-за выходной ёмкости? у меня послушать не получится. все усилители - в активных колонках.