Anleitung zu Audioverstärkern der Klasse D.

Audioverstärker werden in modernen Soundsystemen verwendet, indem schwache Eingangssignale auf Pegel erhöht werden, die die Lautsprecher mit Klarheit und Leistung treiben können.Von kleinen Kopfhörerverstärkern bis hin zu großflächigen Theatersystemen beeinflusst die Art des verwendeten Verstärkers sowohl die Klangqualität als auch die Systemeffizienz.Unter den verschiedenen Designs sind die Verstärker der Klasse D durch ihre bemerkenswerte Leistungseffizienz und kompakte Größe hervorgegangen.In diesem Artikel wird untersucht, wie herkömmliche lineare Verstärker mit Modellen der Klasse D im Vergleich zu Architektur und Leistung der Klasse D eingeht und ihre wachsende Rolle in den heutigen Audioanwendungen unterstreicht.

Katalog

Audioverstärker verstehen

Audioverstärker sind so konzipiert, dass sie ein Eingangssignal auf niedrigem Niveau einnehmen und es ausreichend stärken, um Ausgabegeräte wie Lautsprecher zu antreiben.Um dies effektiv zu tun, müssen sie genügend Kraft liefern und gleichzeitig den Klang klar und ungesandt halten.Ein gut funktionierender Verstärker behält eine geringe Verzerrung bei, arbeitet effizient und reproduziert den gesamten Bereich des menschlichen Gehörs von 20 Hz am unteren Ende bis 20 kHz am oberen Ende treu.

Diese Geräte finden sich in allen Arten von Systemen.Einige sind für den minimalen Stromgebrauch gebaut, wie zum Beispiel von Milliwatt -Kopfhörerverstärkern.Andere sind für Umgebungen mit hohem Ausgangsumfang konzipiert, z. B. für Heimkinosysteme oder öffentliche Veranstaltungsorte, für die Hunderte von Watts einen Raum mit Klang füllen.

Herkömmliche analoge Verstärker arbeiten

Herkömmliche analoge Verstärker arbeiten in einem linearen Modus.Dies bedeutet, dass die Ausgangstransistoren ihre Spannung auf eine Weise einstellen, die der Form des Eingangssignals genau entspricht.Diese Schaltungen bieten typischerweise eine starke Vorwärtsspannungsverstärkung - oft 40 Dezibel oder mehr -, was das Signal verstärkt, bevor es an die Lautsprecher gesendet wird.

Um die Leistung zu verbessern, verwenden viele Designs negatives Feedback.Diese Technik sendet einen Teil der Ausgabe wieder in die Eingangsstufe, um Unregelmäßigkeiten auszugleichen und zu korrigieren.Infolgedessen reduziert der Verstärker die Verzerrung, die durch nichtlineares Verhalten in der Schaltung verursacht wird.Negative Rückkopplung hilft auch dabei, das Audiosignal aus Rauschen oder Schwankungen der Stromversorgung zu isolieren und die Gesamtschallqualität zu verbessern.

Der Effizienzkante der Verstärker der Klasse D.

Verstärker der Klasse D arbeiten anders als herkömmliche analoge Designs.Anstatt den Strom von Strom wie in den Verstärkern der Klasse A, B oder AB reibungslos einzustellen, wechseln die Einheiten der Klasse D ihre Ausgangstransistoren voll eingeschaltet oder voll ausgeschaltet.Dieser ON-AUS-Ansatz vermeidet die Bedingungen, unter denen sich Strom und Spannung erheblich überlappen, wobei der größte Energieverlust bei linearen Konstruktionen auftritt.

In einem linearen Verstärker verbringen die Transistoren viel Zeit in einer Region, in der beide Strom und Abfallspannung durchführen.Diese Kombination veranlasst sie, Energie als Wärme freizusetzen, was zu einem hohen Stromverlust führt.Verstärker der Klasse D vermeiden dies, indem sie ihre Transistoren eher wie digitale Schalter betreiben - immer in einem von zwei effizienten Zuständen.Infolgedessen wird weit weniger Energie als Wärme verschwendet.

Aufgrund dieser verbesserten Effizienz bleiben Verstärker der Klasse D während des Betriebs kühler.Sie benötigen oft keine großen Kühlkörper, die den Platz auf der Leiterplatte freisetzen und das Gesamtdesign vereinfachen.Kleinere thermische Anforderungen bedeuten auch leichtere Komponenten und niedrigere Produktionskosten.In tragbaren Geräten führt dies zu einer längeren Akkulaufzeit und kompakteren Hardware.

Vergleich des Leistungsverlusts bei linearen und Klasse -D -Verstärkern

Lineare Ausgangsstufen

Abbildung 2. CMOS Lineare Ausgangsstufe

In einem typischen linearen Verstärker unter Verwendung der CMOS-Technologie umfasst die Ausgangsstufe zwei komplementäre Transistoren-oft markiertes MH (High-Side-Side) und ML (Low-Side)-, die zusammenarbeiten, um den Lautsprecher zu antreiben.Diese Transistoren regulieren die Ausgangsspannung, um die Form des Eingangssignals zu spiegeln.Diese Methode ist jedoch mit Kosten: Wenn sowohl die Spannung über einen Transistor (VDS) als auch der Strom (IT (IDs)) ungleich Null sind, löst der Transistor die Leistung als Wärme ab.Dieser Verlust ist besonders auffällig, wenn sich die Ausgangsspannung in der Nähe der Mitte des Versorgungsbereichs befindet.

Leistungsverhalten in Klasse A, B und AB Designs

• Verstärker der Klasse A sind am wenigsten effizient, da ein Transistor immer genügend Strom durchführt, um den Spitzenausgang unabhängig vom tatsächlichen Signal zu verarbeiten.Selbst wenn es kein Audiospiel gibt, verbrennt die Schaltung immer noch Strom, hauptsächlich als Hitze.

• Klasse b verbessert dies, indem nur jeden Transistor während der Hälfte der Wellenform aktiviert wird - einen für den positiven Schwung, einen für das Negative.Dies senkt den Leerlauf -Stromverlust erheblich, führt jedoch ein neues Problem ein: Crossover -Verzerrung.Dies ist die kleine Lücke, in der keiner der Transistor während des Null-Crossing-Punktes des Signals reibungslos leitet.

• Klasse AB zielt auf ein Gleichgewicht.Es fügt einen kleinen Leerlaufstrom hinzu, sodass beide Transistoren leicht um den Nullpunkt bleiben.Dies reduziert die Verzerrung und verbessert gleichzeitig die Effizienz im Vergleich zu Klasse A.

Klasse D übernimmt die Macht unterschiedlich

Abbildung 3. Klasse D Open-Loop-Stuper-Blockdiagramm

In a Verstärker der Klasse D, der Ansatz ändert sich vollständig.Anstatt die Eingangswellenform mit variablen Spannungen zu verfolgen, wirken die Ausgangstransistoren wie Schalter.Sie sind entweder voll oder voll ausgeschaltet.Dieses Schaltverhalten hält die Überlappung zwischen Spannung und Strom extrem niedrig und verringert die Verschwendung drastisch.

Bevor das Signal den Lautsprecher erreicht, muss es umgewandelt werden.Der Modulator-typisch eine Pulsbreitenmodulation (PWM) oder Sigma-Delta-Typ-verwandelt das Audiosignal in einen Strom von Hochfrequenzimpulsen.Die Schaltausgangsstufe behandelt diesen Impulsstrom effizient, und ein passiver LC -Filter am Ausgang glättet ihn wieder in eine saubere analoge Wellenform für den Lautsprecher.

Abbildung 4. Differentialschaltausgangsstufe und LC-Tiefpassfilter

Vergleich der Leistungsdissipation über Verstärkerklassen hinweg

Abbildung 5. Leistungsdissipation in den Ausgangsstufen der Klasse A, Klasse B und D -D -D

Wenn Sie einen Lautsprecher nahe der vollständigen Leistung fahren, wird der Unterschied in der Leistungseffizienz beeinträchtigt.Verstärker der Klasse D erzeugen weitaus weniger Wärme als ihre linearen Gegenstücke etwa 27 -mal weniger als die Klasse A und ungefähr 2,5 -mal weniger als Klasse B.

Effizienz kann mit dieser Grundformel berechnet werden:

Selbst unter normalen Hörbedingungen - wenn der Verstärker nur etwa 10% seiner maximalen Leistung liefert, funktioniert die Klasse D immer noch gut.Auf dieser Ebene schwebt seine Effizienz rund 78%.Zum Vergleich: Klasse B fällt auf 28%und die Klasse A mit nur 3%.

Abbildung 6. Leistungseffizienz der Ausgangsstufen der Klasse A, Klasse B und D -D

Differentielle vs. einsendische Klasse D-Verstärker

Aspekt	Differential (Vollbrücke) Klasse D-Verstärker	Einzelgeplapper Verstärker der Klasse D
Konfiguration	Vollbrücke (H-Brücke) mit zwei Halbbrücken	Einzelbrückenkonfiguration
Schlüsselkomponenten	2 High-Side- und 2 Transistoren mit niedrigen Seite, 2 Induktoren, 2 Kondensatoren	1 High-Side- und 1 Transistor mit niedriger Seite, 1 Induktor, 1 Kondensator
Betrieb	Fährt beide Enden der Lautsprecherlast an	Fährt nur ein Ende der Lautsprecherlast
Spannung über Last	Verdoppelt den Spannungsschwung	Hälfte der Spannungsschwung
Ausgabe	Bis zu 4 × mehr Strom aus der gleichen Versorgung Stromspannung	Niedrigere Leistung aus der gleichen Versorgung
Aktueller Ausgleich	Das symmetrische Design gleicht den Strom aus durch Induktoren	Unausgeglichene Ströme können auftreten
Bus -Pumping -Risiko	Reduziert - als symmetrischer Strom fließen	Höher - reaktive Energie zurückkehren Stromversorgung
Stromversorgungsstabilität	Stabiler bei hohen Ausgangspegeln	Kann durch Bussinstabilität erleben Pumpen
Komponentenzahl	Höher	Niedriger (weniger Induktoren, Kondensatoren und Schalter)
Vorstandsraum und Kosten	Größer und teurer	Kompakt und kostengünstig
DC -Offset -Probleme	Typischerweise durch Differential vermieden Design	Gemeinsam;Benötigt DC-blockierende Kondensatoren oder isolierte Kraftschienen
Effizienzauswirkungen von Extras	Im Allgemeinen eine hohe Effizienz ohne Zusatz Komponentenkomponenten	Die Effizienz kann aufgrund von Zusätzungen abnehmen Komponenten zum DC -Offset umgehen
Am besten geeignet für	Hochleistungs, hohe Zuverlässigkeit Bewerbungen, bei denen Platz kein Hauptanliegen darstellt	Budgetkonstanzt, raumbegrenzt Anwendungen, bei denen eine moderate Leistung ausreicht

Überlegungen zum wichtigsten Design für Verstärker der Klasse D.

Größenübergangstransistoren

Die Auswahl der richtigen Ausgangstransistorgröße ist ein Balanceakt.Um den Stromverlust während der Leitung zu minimieren, werden Transistoren mit geringer Aufnahmemittel (RON) bevorzugt.Dies erfordert typischerweise die Verwendung größerer FETs, die auch eine höhere Gate -Kapazität (CG) aufweisen.Während ein niedriger Ron die Effizienz bei hohen Leistungsniveaus verbessert, kann der erhöhte CG die Schaltverluste erhöhen, insbesondere während des Betriebs mit geringer Leistung, bei denen Transistoren häufig umgeschaltet werden.Youneed, um diese Faktoren sorgfältig abzuwägen, basierend auf der beabsichtigten Verwendung des Verstärkers und dem typischen Betriebsbereich des Verstärkers.

Schutz der Ausgangsstufe

Verstärker der Klasse D müssen Schutzmerkmale enthalten, um eine langfristige Zuverlässigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten:

• Wärmeschutz: Sensoren erkennen Überhitzung und senken entweder den Ausgang ab oder schließen das System vollständig ab.

• Überstromschutz: Verhindert Schaltungsschäden bei Überlastungen oder Kurzschaltungen durch Begrenzung oder Deaktivierung der Ausgabe.

• Unterspannungssperrung: Verhindert, dass der Verstärker arbeitet, wenn die Versorgungsspannung zu niedrig fällt, wodurch ein unregelmäßiges Verhalten vermieden wird.

• Durchtriebsprävention: Stellt sicher, dass die High-Side- und Low-Side-Transistoren nicht gleichzeitig verfolgen.Dies geschieht durch die Einführung einer kurzen Verzögerung, die als Tote Zeit zwischen dem Wechsel von Ereignissen bezeichnet wird und die eine direkte Kurzschließung über das Netzteil verhindert.

Abbildung 7. Break-vor-Make-Wechsel von Ausgangsstadientransistoren

Aufrechterhaltung einer hohen Klangqualität

Die Tonleistung hängt von mehreren Elementen im Design des Verstärkers ab:

• Klicks und Pops: Diese unerwünschten Geräusche können während des Start-, Herunterfahren- oder Signalübergänge auftreten.Die richtige Sequenzierung und Kontrolllogik werden verwendet, um sie zu minimieren.

• Signal-Rausch-Verhältnis (SNR): Ein gut gestaltetes System erreicht je nach Anwendung normalerweise zwischen 90 und 110 dB.

• Verzerrungsquellen: Tote Zeit, Ungenauigkeiten in der Modulation, Nichtlinearität im LC -Filter und nicht übereinstimmende Schaltübergänge können alle Verzerrungen einführen.Die Verwendung von Feedback-insbesondere in einem System mit geschlossenem Kreislauf-hilft diese Probleme.

• Netzteilversorgung (PSR): Ohne Feedback ist PSR oft schlecht, typischerweise unter 10 dB.Wenn die Schleifenfeedback jedoch ordnungsgemäß implementiert wird, kann PSR 60 dB überschreiten, wodurch die Auswirkungen des Netzteilrauschens auf die Audioqualität verringert werden.

Auswahl einer Modulationstechnik

Die Art und Weise, wie der Verstärker das Audiosignal in Impulse verwandelt, kann die Leistung stark beeinflussen:

Abbildung 8. PWM -Konzept und Beispiel

• Impulsbreitenmodulation (PWM): Die häufigste Technik.Es vergleicht das Eingangssignal mit einer dreieckigen Wellenform, um variable Breitenimpulse zu erzeugen.Während wir effizient und einfach zu implementieren können, kann es Verzerrungen und elektromagnetische Interferenzen (EMI) erzeugen, insbesondere bei höheren Ausgaben.

• Sigma-Delta-Modulation (auch als Pulsdichtemodulation bezeichnet): Umwandelt das Signal in einen Strom von Hochfrequenzimpulsen, bei denen das Geräusch über einen breiteren Frequenzbereich verteilt wird, wodurch EMI gesenkt wird.

• Selbstaufhaltende Modulation: Erfordern keine externe Uhr.Es erzeugt eine gute Klangqualität und passt sich gut an Lastveränderungen an, aber es fehlt die Synchronisation mit anderen digitalen Systemen.

• Drei-Staaten-Modulation: Fügt einen neutralen oder "Aus" -Zustand hinzu, um EMI zu reduzieren, wenn die Ausgangsleistung niedrig ist.

Minimierung von EMI

Die Reduzierung elektromagnetischer Störungen ist ein wesentlicher Bestandteil des Designs der Klasse D.Mehrere Layout- und Komponenten -Auswahlmöglichkeiten können dazu beitragen, kompakte und eng gekoppelte LC -Filterlayouts zu verwenden.Routenlautsprecherdrähte als verdrehte Paare, um Magnetfelder abzubrechen.Fügen Sie HF-Drosseln zu Stromleitungen hinzu, um Hochfrequenzrauschen zu blockieren.Halten Sie die Gate-Fahrerschleifen kurz und fest, um das Klingeln zu reduzieren.Minimieren Sie die Totzeit, die die Artefakte für die Hochfrequenzschaltung senkt.Fügen Sie Schottky -Dioden ein, um Dioden -Wiederherstellungsrauschen zu unterdrücken.Wählen Sie abgeschirmte oder toroidale Induktoren, um die magnetische Strahlung zu verringern.

Entwerfen des LC -Filters

Die meisten Verstärker der Klasse D verwenden einen LC-Tiefpassfilter zweiter Ordnung, um das Ausgangssignal zu glätten, bevor er den Lautsprecher erreicht.Der Lautsprecher selbst, der bei der Dämpfungsfilterresonanz verwendet wird, ist die genaue Modellierung der Impedanz des Sprechers schwerwiegend, um Audioverzerrungen oder -instabilität zu vermeiden.

Hier sind einige Beispielfilter -Setups:

Induktivität (µH)	Kapazität (µf)	Lautsprecher Impedanz (ω)	-3 dB Bandbreite (KHz)
10	1.2	4	50
15	1	6	41
22	0,68	8	41

Verwaltungssystemkosten

Während Verstärker der Klasse D aufgrund ihrer hohen Effizienz Geld für Kühlkörper und Gehäuse sparen, können sich die Kosten für Induktoren für den LC -Filter summieren.Um die Kosten zu senken, betrachten Sie einendige Halbbrücken-Designs, die weniger Komponenten verwenden.In sehr kleinen oder niedrigen Stromversorgungssystemen können Sie den LC-Filter vollständig überspringen, solange die EMI-Werte innerhalb akzeptabler Grenzen bleiben.

Analoge Geräte -D -Verstärkerlösungen der Klasse D.

Analoge Geräte vereinfachen den Prozess des Entwerfens von Verstärkern der Klasse D, indem integrierte Lösungen wie die angeboten werden AD199X -Serie.Diese Geräte kombinieren mehrere Verstärkerkomponenten zu einem einzigen Paket und verkürzen sowohl die Systemkomplexität als auch die Entwicklungszeit.

Jeder Chip in der Serie enthält eine programmierbare Verstärkungsstufe, einen Sigma-Delta-Modulator zum Konvertieren analoge Signale in einen Impulsstrom und eine Ausgangsstufe in voller Brücke, die die Last mit hoher Leistung liefern kann.Eingebaute Schutzmerkmale überwachen die Bedingungen wie Überhitzung, Überstrom- und Durchführung von Ereignissen, um sicherzustellen, dass der Verstärker unter verschiedenen Betriebsbedingungen sicher und zuverlässig bleibt.Um Ihre Erfahrung zu verbessern, enthalten diese Verstärker auch einen Soft-Start-Mechanismus.Dies hilft, hörbare Klicks und Pops während des Einschaltens und des Herunterfahrens zu beseitigen, wodurch Übergänge reibungsloser und sauberer werden.

Nehmen Sie den AD1994 als Beispiel.Es kann bis zu 25 Watt pro Kanal liefern und gleichzeitig die Energieeffizienz von fast 90%aufrechterhalten.Selbst unter anspruchsvollen Bedingungen bleibt die gesamte harmonische Verzerrung unter 0,001%, was dazu beiträgt, die Klarheit des ursprünglichen Audiosignals zu erhalten.Diese Geräte erfüllen auch die Grenzen der engen elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und bieten eine hervorragende Ablehnung der Stromversorgung, sodass sie für hochgeschwindige und lärmempfindliche Anwendungen geeignet sind.Um die Entwicklung weiter zu unterstützen, bietet Analog Devices detaillierte Referenzdesigns, vollständige Materialrechnungen und PCB -Layoutempfehlungen.Diese Anleitung hilft Ihnen dabei, die Designzyklen zu beschleunigen und Produkte schneller auf den Markt zu bringen und gleichzeitig die Leistung, Größe und Effizienzziele zu erreichen.

Gemeinsame Anwendungen von Verstärkern der Klasse D.

Verstärker der Klasse D werden in einer Vielzahl von Audioprodukten verwendet, da sie eine hohe Effizienz mit kompakter Größe und starker Ausgangsleistung kombinieren.Dies macht sie für alles gut geeignet, von tragbaren Geräten bis hin zu leistungsstarken Audiosystemen.

Abbildung 9. Bluetooth -Lautsprecher

• Eine der häufigsten Verwendungen ist in Bluetooth -Lautsprecher.Diese Lautsprecher sind oft kompakt und batteriebetrieben, daher ist die Effizienz gefährlich.Ein Verstärker der Klasse D hilft, die Akkulaufzeit zu verlängern und gleichzeitig ein klares, leistungsstarkes Audio in einem kleinen Gehäuse zu liefern.

Abbildung 10. Kopfhörer

• in hEadphonesInsbesondere drahtlose oder batteriebetriebene Modelle sind die Entwürfe der Klasse D nützlich, um den Energieverbrauch und die Wärme zu minimieren.Obwohl sie nicht immer für kabelgebundene Kopfhörer nützlich sind, werden sie häufig in tragbaren Audioausrüstung bevorzugt, bei denen die Stromsparung eine Priorität hat.

Abbildung 11. tragbare Verstärker

• Tragbare Verstärker wie diejenigen, die verwendet werden, um die Ausgabe von Smartphones oder Tablets zu steigern, profitieren von der Auslosung der Klasse D der Klasse D.Diese Geräte sind so gebaut, dass sie unterwegs getragen und verwendet werden, sodass die Effizienz direkt zu einer längeren Hörzeit zwischen den Gebühren führt.

Abbildung 12. Subwoofer

• Subwoofer sind eine weitere Schlüsselanwendung.Da niederfrequente Signale viel Kraft erfordern, um genau zu reproduzieren, können Subwoofer erhebliche Wärme erzeugen.Ein Verstärker der Klasse D behandelt dies effizient und liefert starke Bass, während Stromverluste und die Wärmeerzeugung auf ein Minimum gehalten werden.

Abschluss

Die Verstärker der Klasse D haben die Audiolandschaft umgeformt, indem sie hocheffiziente Lösungen anbieten, ohne die Klangqualität zu beeinträchtigen.Ihre Fähigkeit, eine starke Ausgangsleistung mit minimaler Wärme zu liefern, macht sie ideal für tragbare und leistungsstarke Systeme.Ob in Bluetooth -Lautsprechern, Subwoofer oder integrierten IC -Lösungen wie solchen von analogen Geräten, die Klasse -D -Technologie entwickelt sich weiterentwickelt und unterstützt sauberere Audio, kleinere Designs und längere Akkulaufzeit.Da die Nachfrage nach intelligenteren, effizienteren Audiosystemen wächst, sind die Verstärker der Klasse D von der Leitung.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Klingen Verstärker der Klasse D besser?

Verstärker der Klasse D klingen nicht immer besser, aber moderne Designs können sehr sauber und genau klingen, insbesondere für Bass und Mitteltöner.Sie eignen sich hervorragend für den täglichen Gebrauch, wie bei Bluetooth -Lautsprechern und Subwoofern, aber Audiophile bevorzugen möglicherweise immer noch die Klasse A oder AB -Verstärker für ihren wärmeren und natürlicheren Klang, insbesondere wenn Sie gute Details in der Musik hören.

2. Welcher Klassenverstärker hat die höchste Effizienz?

Verstärker der Klasse D haben die höchste Effizienz und erreichen häufig 90% oder mehr.Dies bedeutet, dass sie weniger Energie als Wärme verschwenden und kühler bleiben als andere Typen wie Klasse A oder AB, perfekt für tragbare Systeme, Auto-Audio- und Hochleistungsanwendungen.

3. Verwenden Sie Verstärker der Klasse D weniger Leistung?

Ja, Verstärker der Klasse D verwenden deutlich weniger Leistung, da sie mit schnellem Umschalten arbeiten, anstatt teilweise wie Klasse A oder AB zu bleiben.Dies führt zu weniger Wärme, geringeren Energieverbrauch und längerer Akkulaufzeit in tragbaren Systemen.

4. Sind Verstärker der Klasse D für Subs?

Ja, Verstärker der Klasse D werden üblicherweise für Subwoofer verwendet, da sie ohne Überhitzung hohe Leistung effizient liefern können.Sie passen hervorragend zu niederfrequenten Anwendungen und bieten einen starken, sauberen Bass in Heim- und Auto-Audiosystemen.

5. Benötigen Verstärker der Klasse D einen DAC?

AMPs der Klasse D benötigen nur einen DAC, wenn der Eingang digital ist, z. B. aus einer USB- oder optischen Quelle.Wenn die Quelle analog ist, wie ein 3,5 -mm -Kopfhörerausgang oder ein RCA -Signal, ist kein separater DAC erforderlich.Einige Verstärker der Klasse D enthalten bereits einen integrierten DAC für digitale Eingaben.