การทำงานและการใช้งานแอมพลิฟายเออร์ Class D

ในโลกสมัยใหม่นี้เป้าหมายหลักของการขยายเสียงในระบบเสียงคือการสร้างซ้ำและขยายสัญญาณอินพุตที่กำหนดอย่างแม่นยำ และหนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดคือการมีกำลังขับสูงโดยสูญเสียพลังงานน้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ เทคโนโลยีแอมพลิฟายเออร์ Class D กำลังสร้างผลกระทบที่เพิ่มขึ้นต่อโลกแห่งเสียงสดโดยให้พลังงานสูงโดยไม่มีการกระจายพลังงานและน้ำหนักน้อยกว่าที่เคยเป็นมา ปัจจุบันอุปกรณ์ฟังเพลงแบบพกพาได้รับความนิยมมากขึ้นจากความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับเสียงภายนอกในอุปกรณ์ฟังเพลงแบบพกพา

การขยายเสียงบางครั้งทำได้ด้วยเทคโนโลยีแอมพลิฟายเออร์หลอด แต่มีขนาดใหญ่และไม่เหมาะสำหรับระบบเสียงอิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา สำหรับความต้องการในการขยายเสียงส่วนใหญ่วิศวกรเลือกที่จะใช้ทรานซิสเตอร์ในโหมดเชิงเส้นเพื่อสร้างเอาต์พุตที่ปรับขนาดตามอินพุตขนาดเล็ก นี่ไม่ใช่การออกแบบที่ดีที่สุดสำหรับเครื่องขยายเสียงเนื่องจากทรานซิสเตอร์ในการทำงานเชิงเส้นจะทำหน้าที่สร้างความร้อนและใช้พลังงานอย่างต่อเนื่อง การสูญเสียความร้อนนี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้โหมดเชิงเส้นไม่เหมาะสมที่สุดสำหรับแอพพลิเคชั่นเสียงแบบพกพาที่ใช้แบตเตอรี่ มี เครื่องขยายเสียงหลายคลาส A, B, AB, C, D, E และ F สิ่งเหล่านี้แบ่งออกเป็นสองโหมดการทำงานที่แตกต่างกันคือเชิงเส้นและการสลับ

เครื่องขยายเสียง Class D

Linear Mode Power Amplifiers - Class A, B, AB และ คลาส C เป็นแอมพลิฟายเออร์โหมดเชิงเส้นทั้งหมด ที่มีเอาต์พุตที่เป็นสัดส่วนกับอินพุต แอมพลิฟายเออร์โหมด Linear ไม่อิ่มตัวเปิดเต็มหรือปิดเต็มที่ เนื่องจากทรานซิสเตอร์ทำงานอยู่ตลอดเวลาความร้อนจึงเกิดขึ้นและใช้พลังงานอย่างต่อเนื่อง นี่คือเหตุผลว่าทำไมแอมพลิฟายเออร์เชิงเส้นจึงมีประสิทธิภาพต่ำกว่าเมื่อเทียบกับสวิตชิ่งแอมป์ Switching Amplifiers-Class D, E และ F เป็น Switching Amplifiers มีประสิทธิภาพสูงกว่าซึ่งในทางทฤษฎีควรเป็น 100% เนื่องจากไม่มีการสูญเสียพลังงานไปกับการกระจายความร้อน

เครื่องขยายเสียง Class D คืออะไร?

แอมพลิฟายเออร์ Class D เป็นแอมพลิฟายเออร์แบบสวิตชิ่งและเมื่ออยู่ในสถานะ“ เปิด” มันจะนำกระแส แต่มีแรงดันไฟฟ้าเกือบเป็นศูนย์ทั่วสวิตช์ดังนั้นจึงไม่มีการกระจายความร้อนเนื่องจากการใช้พลังงาน เมื่ออยู่ในโหมด“ ปิด” แรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้น MOSFETs แต่เนื่องจากไม่มีกระแสไฟฟ้าสวิตช์จึงไม่ใช้พลังงานใด ๆ แอมพลิฟายเออร์จะใช้พลังงานเฉพาะในช่วงเปิด / ปิดการเปลี่ยนหากไม่คำนึงถึงกระแสรั่วไหล เครื่องขยายเสียง Class D ประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้:

• PMW โมดูเลเตอร์
• วงจรสวิตชิ่ง
• เอาต์พุต lowpass filter

แผนภาพบล็อกของเครื่องขยายเสียง Class D

PMW Modulator

เราต้องการบล็อกการสร้างวงจรที่เรียกว่าตัวเปรียบเทียบ ตัวเปรียบเทียบมีสองอินพุต ได้แก่ อินพุต A และอินพุต B เมื่ออินพุต A มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าอินพุต B เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะไปที่แรงดันไฟฟ้าบวกสูงสุด (+ Vcc) เมื่ออินพุต A มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าอินพุต B เอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะไปที่แรงดันลบสูงสุด (-Vcc) รูปด้านล่างแสดง วิธีการทำงานของตัวเปรียบเทียบ ในเครื่องขยายเสียง Class-D อินพุตหนึ่งตัว (ปล่อยให้เป็นขั้วอินพุต A) มาพร้อมกับสัญญาณที่จะขยาย อินพุตอื่น (อินพุต B) มาพร้อมกับคลื่นสามเหลี่ยมที่สร้างขึ้นอย่างแม่นยำ เมื่อสัญญาณสูงกว่าระดับคลื่นสามเหลี่ยมทันทีเอาต์พุตจะเป็นบวก เมื่อสัญญาณอยู่ในระดับต่ำกว่าคลื่นสามเหลี่ยมทันทีเอาต์พุตจะเป็นลบ ผลลัพธ์ที่ได้คือห่วงโซ่ของพัลส์ที่ความกว้างของพัลส์เป็นสัดส่วนกับระดับสัญญาณทันที นี้เรียกว่า 'การมอดูเลตความกว้างพัลส์' หรือ PWM .

PMW Modulator

วงจรสวิตชิ่ง

แม้ว่าเอาต์พุตของตัวเปรียบเทียบจะเป็นตัวแทนของสัญญาณเสียงอินพุตแบบดิจิทัล แต่ก็ไม่มีพลังในการขับเคลื่อนโหลด (ลำโพง) หน้าที่ของวงจรสวิตชิ่งนี้คือเพื่อให้ได้รับพลังงานที่เพียงพอซึ่งจำเป็นสำหรับเครื่องขยายเสียง โดยทั่วไปแล้ววงจรสวิตชิ่งได้รับการออกแบบโดยใช้มอสเฟต เป็นสิ่งสำคัญมากในการออกแบบให้วงจรสวิตชิ่งสร้างสัญญาณที่ไม่ทับซ้อนกันมิฉะนั้นคุณจะประสบปัญหาในการลัดวงจรของคุณลงสู่พื้นดินโดยตรงหรือหากการใช้การแยกอุปทานทำให้อุปกรณ์ขาดตลาด สิ่งนี้เรียกว่ายิงทะลุ แต่สามารถป้องกันได้โดยการนำสัญญาณเกตที่ไม่ทับซ้อนกันไปยัง MOSFET เวลาที่ไม่ทับซ้อนกันเรียกว่าเวลาตาย ในการออกแบบสัญญาณเหล่านี้เราต้องรักษาเวลาตายให้สั้นที่สุดเพื่อรักษาสัญญาณเอาต์พุตที่มีความผิดเพี้ยนต่ำที่แม่นยำ แต่ต้องยาวพอที่จะรักษา MOSFET ทั้งสองไม่ให้ดำเนินการในเวลาเดียวกัน เวลาที่ MOSFET อยู่ในโหมดเชิงเส้นจะต้องลดลงด้วยซึ่งจะช่วยให้มั่นใจได้ว่า MOSFET จะทำงานแบบซิงโครนัสแทนที่จะดำเนินการทั้งสองในเวลาเดียวกัน

สำหรับแอปพลิเคชันนี้ต้องใช้ Power MOSFET เนื่องจากการเพิ่มกำลังไฟในการออกแบบ แอมพลิฟายเออร์ Class D ใช้เพื่อประสิทธิภาพสูง แต่ MOSFET มีไดโอดในตัวที่มีลักษณะเป็นกาฝากและจะปล่อยให้กระแสไฟฟ้าไหลเวียนต่อไปในช่วงเวลาที่ตาย สามารถเพิ่มไดโอด Schottky ควบคู่ไปกับท่อระบายน้ำและแหล่งที่มาของ MOSFET เพื่อลดการสูญเสียผ่าน MOSFET ซึ่งจะช่วยลดการสูญเสียเนื่องจาก ไดโอด Schottky เร็วกว่าไดโอดร่างกายของ MOSFET เพื่อให้แน่ใจว่าไดโอดของร่างกายไม่ทำงานในช่วงเวลาที่ตาย เพื่อลดการสูญเสียเนื่องจากความถี่สูง Schottky diode ควบคู่กับ MOSFET นั้นใช้งานได้จริงและจำเป็น Schottky นี้ช่วยให้มั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าทั่ว MOSFETs ก่อนที่จะปิด การทำงานโดยรวมของ MOSFET และสเตจเอาต์พุตนั้นคล้ายคลึงกับการทำงานของซิงโครนัส ตัวแปลงบั๊ก . รูปคลื่นอินพุตและเอาต์พุตของวงจรสวิตชิ่งแสดงในรูปด้านล่าง

วงจรสวิตชิ่ง

เอาท์พุต Low Pass Filter

ขั้นตอนสุดท้ายของแอมพลิฟายเออร์คลาส D คือตัวกรองเอาต์พุตซึ่งลดทอนและขจัดฮาร์มอนิกของความถี่สัญญาณสวิตชิ่ง สิ่งนี้สามารถทำได้ด้วยการจัดเรียงตัวกรองความถี่ต่ำทั่วไป แต่ที่พบมากที่สุดคือการรวมตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ ต้องการตัวกรองลำดับที่ 2 เพื่อให้เรามีการปิด -40dB / Decade ช่วงความถี่คัตออฟอยู่ระหว่าง 20 kHz ถึงประมาณ 50 kHz เนื่องจากมนุษย์ไม่ได้ยินอะไรที่สูงกว่า 20 kHz รูปด้านล่างแสดงตัวกรองบัตเตอร์เวิร์ ธ ลำดับที่สอง เหตุผลหลักที่เราเลือกตัวกรองบัตเตอร์เวิร์ ธ คือต้องใช้ส่วนประกอบน้อยที่สุดและมีการตอบสนองแบบแบนพร้อมความถี่ตัดที่คมชัด

เอาท์พุต Low Pass Filter

การใช้งานเครื่องขยายเสียง Class D

เหมาะสำหรับอุปกรณ์พกพามากกว่าเนื่องจากไม่มีการจัดเรียงตัวระบายความร้อนเพิ่มเติม ง่ายต่อการพกพา แอมพลิฟายเออร์คลาส D กำลังสูงกลายเป็นมาตรฐานในแอพพลิเคชั่นอิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคจำนวนมากเช่น

• เครื่องรับโทรทัศน์และระบบโฮมเธียเตอร์
• เครื่องใช้ไฟฟ้าปริมาณมาก
• เครื่องขยายเสียงหูฟัง
• เทคโนโลยีมือถือ
• ยานยนต์

ดังนั้นนี่คือข้อมูลเกี่ยวกับการทำงานของเครื่องขยายเสียงคลาส D และแอปพลิเคชัน เราหวังว่าคุณจะเข้าใจแนวคิดนี้ดีขึ้น นอกจากนี้ข้อสงสัยใด ๆ เกี่ยวกับแนวคิดนี้หรือการดำเนินการใด ๆ โครงการไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์ โปรดแสดงความคิดเห็นของคุณโดยการแสดงความคิดเห็นในส่วนความคิดเห็นด้านล่าง นี่คือคำถามสำหรับคุณ แอปพลิเคชันของเครื่องขยายเสียง Class D คืออะไร?