В рознице найти микросхемы серии TDA не составляет труда. Продаются и готовые платы, к которым остается лишь докупить блок питания. К нам на тест поступила новейшая микросхема TDA8950E, размещенная на миниатюрной «демонстрационной» плате с соответствующей обвязкой. На микросхему нацеплен (поджат накидной скобой) небольшой металлический радиатор с развитым оре брением для естественного теплоотвода. Чтобы протестировать сие устройство, ничего не оставалось, как быстренько сделать усилитель своими руками.

Чем меньше напряжение подводимого питания микросхемы, тем меньше выдаваемая на выходе мощность. Электрически 150 Вт на канал достигается при ±37 В полярного питания. В этом случае трансформатор понадобится крепенький, чтобы ток 2 А держал, не прогибаясь. В идеале - тороидальный, причем с двумя выходными обмотками, чтобы получить полярное питание без заморочек. Диодный мост лучше взять готовый, у которого все в одном корпусе, торчат только четыре ножки - к двум внутренним подводим переменное напряжение, с двух внешних снимаем постоянное. Затем берем пару полярных конденсаторов емкостью от 2000 мкФ на напряжение 50–60 В (с запасом) (10 000 мкФ - то, что доктор прописал) и, строго соблюдая полярность (иначе «кондерам» хана), включаем параллельно с общей точкой, образованной средней жилой выходных обмоток трансформатора. Один «кондер» емкостью 10 000 мкФ обойдется рублей в 150. Никто не запрещает набрать желаемую суммарную емкость, запараллелив недорогие по 2000 мкФ.

Чтобы сгладить высокочастотные импульсы, в том числе проникающие из розетки, впаиваем (также параллельно) по керамическому конденсатору емкостью около 0,1 мкФ (полярность не важна). Для обеспечения безопасности обязателен тумблер, отключающий как «фазу», так и «землю». Предохранитель желателен (на ток 1–2 А, соответственно потреблению). Еще не помешает сразу за предохранителем (который впаивается последовательно, т.е. в разрыв одной из жил) воткнуть параллельно вилке один конденсатор эдак на 630 В емкостью 0,047 мкФ. Поясним: конденсатор, впаянный параллельно нагрузке, представляет собой фильтр первого порядка, подавляющий все составляющие выше определенной частоты, обусловленной емкостью этого конденсатора. Чем больше емкость, тем ниже частота «отсечки». Отрицательный провод полярного питания подводим к клемме платы усилителя, помеченной как Vss, а положительный - к клемме Vdd. Провод, отходящий от общей точки, забрасываем на клемму «земли» (Gnd). Все! Усилитель готов.

Перед подачей 220 В разумно пройтись по пайке, «прозвонив» тестером на предмет слу- чайного короткого замыкания. Первый раз 220 В подать на несколько секунд, в идеале подключив не колонки, а мощные резисторы не менее 4,7 Ом на 10–15 Вт. Хилые (до ~5 Вт) быстро или вообще сразу сдохнут. Поначалу стоит подавать слабый сигнал, убрав уровень громкости в аудиокарте чуть ли не до нуля. Если ни один из элементов не будет слишком быстро греться, трансформатор не будет зловеще гудеть и т.п., усилитель можно эксплуатировать. Саму микросхему спалить практически невозможно благодаря электрической защите от короткого замыкания, термической защите от перегрева, защите от заряда статического электричества и прочим блокировкам «от дурака». Пассивные акустические системы подключаются с соблюдением фазы: одна колонка на Out1 с клеммами «+» и «–», другая на Out2 с соблюдением тех же «+» и «–». Если перепутать местами на одной из колонок «+» и «–» (полярность), то ничего не сгорит, но честных стереоэффектов не получить.


Провести измерения параметров усилителя класса D посредством популярной программы RMAA и доступной звуковой карты, не имея качественного (более 40 дБ) аналогового фильтра, отсекающего весь ультразвуковой мусор, - пустая затея. Пресловутая несущая частота ШИМ (для TDA8950E это 345 кГц) - это только верхушка айсберга. Конечно, подавление данной частоты, пролезающей на выходы микросхемы, требует мощных фильтров. Не испортить при этом полезный сигнал не так просто, как кажется. Задача усугубляется активностью импульсов, коротких во времени, но неслабых по амплитуде. Посему в данном случае париться с измерениями в домашних условиях явно не стоит.


Экспертное прослушивание происходило в сравнении с интегральным Hi-Fi-стереоуси-лителем Harman-Kardon HK970 мощностью 120 Вт на 4 Ом (0,3% THD), имеющим классическую схему на неслабых полевых транзисторах и потребляющим под 410 Вт. В качестве пассивных акустических систем выступала Hi-Fi-стереопара (тщательно подобранная изготовителем по технологическому разбросу параметров) DALI Suite, сделанная в Дании. Это удачная связка, что могут подтвердить многие аудиофилы. Акустика функционирует подобно беспристрастному студийному монитору, не прощая малейших огрехов записи. Искажения какого-либо блока усиления, если таковые будут критичными, также легко заметны на слух.

Мощность, выдаваемая примененной TDA8950E, откровенно удивила. В помещении площадью12 кв. м задрожали стекла уже на «малых оборотах». Выкручивать уровень громкости в микшере аудиокарты не понадобилось. Левый и правый каналы получились, правда, не совсем идентичными, воссоздаваемая стереокартина может размазываться. Однако при воспроизведении сжатых форматов вроде МР3 это некритично. По сравнению с истинно Hi-Fi-ным усилителем в связке с чувствительной акустикой привносимые нашим «цифровиком» искажения не пройдут не замеченными для опытного аудиофила.

Принцип работы усилителей класса D

Технология широтно-импульсного (ШИМ) усиления звука, породившая так называемый класс D, стала внедряться более десяти лет назад, хотя сама идея зародилась раньше. В последнее время усилители класса D проникли не только в портативные цифровые аудиоустройства. В телевизорах, музыкальных центрах, коробочных домашних театрах, автомобильных аудиоустройствах и во многих мультимедийных акустических системах обосновались довольно миниатюрные микросхемы, выделяющие на удивление мало тепла. Эффективность современных схем быстро растет с мощностью, достигая 90% уже на половине от ее максимума. При этом эффективность транзисторных усилителей еще недавно самого распространенного класса A-B не дотягивает до 40%. На полной мощности сравнивать бессмысленно, поскольку любой усилитель уже на подходе к заветному максимуму срывается в клиппирование, плодя высокочастотные гармоники. Класс А в состоянии похвастаться только 25% эффективности, а чистый класс В - 78% (теоретически, при мощности условно близкой к максимальной).

Топология класса А, обеспечивающая наиболее качественный звук, подразумевает использование каждого транзистора как источника постоянного тока, способного снабдить динамик необходимым током как при положительной полуволне, так и при отрицательной (звуковой сигнал от природы полярен). Такому усилителю, грубо говоря, приходится высаживать половину мощности на поддержание постоянной составляющей тока «нейтрального уровня», то есть даже тогда, когда входной сигнал отсутствует. В топологии класса В поддержание постоянной составляющей тока игнорируется за счет того, что транзисторы заставляют работать на манер тянитолкая для положительной и отрицательной полуволн соответственно. Расплата неминуема: минимизация искажений выливается в серьезную техническую задачу. Гибридная топология класса А-В допускает постоянную составляющую тока на выходе транзисторов, но гораздо меньшей величины, чем в классе А, дабы не дергать транзисторы хотя бы на малой мощности (в отличие от ласса В). То есть усилители класса А-В на малой мощности работают в классе А, а на средней и максимальной - в классе В. Естественно, на малой мощности эффективность усиления в классе А-В получается низкой, зато с искажениями нет проблем.

Фишка же топологии класса D в том, что благодаря предварительному широтно-им-пульсному преобразованию звукового сигнала транзисторы функционируют в импульсном режиме на высокой частоте, находясь все время в открытом состоянии. Образно говоря, не успевают «завязнуть» на постоянном токе, а необходимость в каком-либо управлении отпадает - тактирование автоматически задается частотой модуляции.

Это работа транзистора и усилителя при маленькой амплитуде напряжения запирания ниже, чем напряжение смещения. В этом случае амплитуда звукового сигнала меньше, чем напряжение смещения. В таком состоянии транзистор проводит только верхнюю часть положительной полуволны, что сильно искажает сигнал. Поэтому в аудио усилителях, этот класс не применяется. Такой режим работы транзисторов имеет высокий КПД (около 85%).

Режим работы Класс D - это усилители сигнала с широтно - импульсной модуляцией (ШИМ) и с частотно - импульсной (ЧИМ), в которых звуковой аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму, а в выходном каскаде происходит обратное преобразование.

В первом случае ширина синтезированных импульсных сигналов пропорциональна амплитуде входного (аналог) сигнала, во втором - изменяемой величиной является частота импульсов. В любом варианте при изготовлении усилителя мощности класса "D" получаем высокий коэффициент нелинейных искажений, обусловленный дополнительными процессами конвертации усиливаемого сигнала.

Для того, чтобы усилитель мощности перевести в класс "D" необходимо создать ключевой режим работы выходных транзисторов - замыкать и размыкать их. Для этого, на базу (затвор) транзистора подается ШИМ-сигнал обработанный периодической последовательностью прямоугольных импульсов (прямоугольный сигнал). Этот прямоугольный сигнал проходя через транзистор, отпирает и запирает его. В результате импульсного процесса (на короткое время) создаётся рабочая точка выходных транзисторов. Поэтому ток через транзисторы не потечёт если нет сигнала, это вызывает искажения звука свойственные классу "В".

Известно, что многозадачные электронные процессы и скорость переключения транзисторов не проходят мгновенно, это изменяет форму сигнала и увеличивает длину пути его прохождения. К тому же, интермодуляционные искажения звука в усилителях ШИМ имеют прямую зависимость, от частоты модуляции к частоте усиливаемого сигнала, что ограничивает их использование в звуковом диапазоне.

Класс "D" имеет одно неоспоримое преимущество высокий КПД - 90%.
Усилитель для сабвуфера - вот реальное применение класса "D" в аудио.
ШИМ-сигнал применяется для записи формата аудиодисков - SACD. Но на практике всплывают существенные недоработки этого нового формата.

Широтно-импульсная модуляция - это такой способ управления прибором, когда путем регулировки длительности импульса, по отношению к его периоду, достигают нужного среднего значения, которое меньше амплитудного.

Например: есть источник питания напряжением 100 вольт, и нагревательный элемент рабочим сопротивлением 10 Ом. Если подключить прибор напрямую к источнику, то получится выделение тепла мощностью 1000 Ватт, и так будет происходить постоянно, пока прибор не будет отключен от источника. Но что, если нужно получить только 500 Ватт, или, скажем, 200 Ватт, имея все тот же источник и все ту же нагрузку. Здесь на помощь как раз и может придти широтно-импульсная модуляция, или сокращенно ШИМ. Можно между источником и приемником поставить некий управляемый выключатель, который будет то подключать нагрузку к источнику, то отключать ее, причем происходить это будет так, чтобы длительность включения была равна длительности выключения, и так нужно повторять много раз, тогда нагрузка будет запитана только в течение половины всего рабочего времени, и мы получим, как в нашем примере, не 1000 Ватт тепла, а 500 Ватт, как и было нужно. Если теперь длительность включения сделать в пять раз меньше периода импульса, (сумма длительности включения и длительности выключения в каждом цикле - это период импульса) то и средняя мощность нагрузки будет в пять раз меньше, то есть 200 Ватт. Это весьма грубый пример, дающий общее представление о принципе.

Аналогичным образом происходит управление элементами электронных схем, где посредством специальных микросхем - ШИМ-контроллеров, задается необходимый режим широтно-импульсной модуляции для управления силовыми ключами, примером такого настраиваемого ШИМ-контроллера может послужить широко распространенная на рынке радиодеталей микросхема TL494.

ШИМ или PWM (англ. Pulse-Width Modulation) — широтно-импульсная модуляция — это метод предназначен для контроля величины напряжения и тока. Действие ШИМ заключается в изменении ширины импульса постоянной амплитуды и постоянной частотой.

Свойства ШИМ регулирования используются в импульсных преобразователях, в схемах управления двигателями постоянного тока или яркостью свечения светодиодов.

Принцип действия ШИМ

Принцип действия ШИМ, как указывает на это само название, заключается в изменении ширины импульса сигнала. При использовании метода широтно-импульсной модуляции, частота сигнала и амплитуда остаются постоянными. Самым важным параметром сигнала ШИМ является коэффициент заполнения, который можно определить по следующей формуле:

Также можно отметить, что сумма времени высокого и низкого сигнала определяет период сигнала:

где:

• Ton — время высокого уровня
• Toff — время низкого уровня
• T — период сигнала

Время высокого уровня и время низкого уровня сигнала показано на нижнем рисунке. Напряжение U1- это состояния высокого уровня сигнала, то есть его амплитуда.

На следующем рисунке представлен пример сигнала ШИМ с определенным временным интервалом высокого и низкого уровня.

Расчет коэффициента заполнения ШИМ

Расчет коэффициента заполнения ШИМ на примере:

Для расчета процентного коэффициента заполнения необходимо выполнить аналогичные вычисления, а результат умножить на 100%:

Как следует из расчета, на данном примере, сигнал (высокого уровня) характеризуется заполнением, равным 0,357 или иначе 37,5%. Коэффициент заполнения является абстрактным значением.

Важной характеристикой широтно-импульсной модуляции может быть также частота сигнала, которая рассчитывается по формуле:

Значение T, в нашем примере, следует взять уже в секундах для того, чтобы совпали единицы в формуле. Поскольку, формула частоты имеет вид 1/сек, поэтому 800ms переведем в 0,8 сек.

Благодаря возможности регулировки ширины импульса можно изменять, например, среднее значение напряжения. На рисунке ниже показаны различные коэффициенты заполнения при сохранении той же частоты сигналов и одной и той же амплитуды.

Для вычисления среднего значения напряжения ШИМ необходимо знать коэффициент заполнения, поскольку среднее значение напряжения является произведением коэффициента заполнения и амплитуды напряжения сигнала.
Для примера, коэффициент заполнения был равен 37,5% (0,357) и амплитуда напряжения U1 = 12В даст среднее напряжение Uср:

В этом случае среднее напряжение сигнала ШИМ составляет 4,5 В.

ШИМ дает очень простую возможность понижать напряжение в диапазоне от напряжения питания U1 и до 0. Это можно использовать, например, для , или скорости вращения двигателя DC (постоянного тока), питающиеся от величины среднего напряжения.

Сигнал ШИМ может быть сформирован микроконтроллером или аналоговой схемой. Сигнал от таких схем характеризуется низким напряжением и очень малым выходным током. В случае необходимости регулирования мощных нагрузок, следует использовать систему управления, например, с помощью транзистора.

Это может быть биполярный или полевой транзистор. На следующих примерах будет использован .

Сигнал ШИМ поступает на базу транзистора VT1 через резистор R1, иначе говоря, транзистор VT1 с изменением сигнала то включается, то выключается. Это подобно ситуации, при которой транзистор можно заменить обычным выключателем, как показано ниже:

Когда переключатель замкнут, светодиод питается через резистор R2 (ограничивающий ток) напряжением 12В. А когда переключатель разомкнут, цепь прерывается, и светодиод гаснет. Такие переключения с малой частотой в результате дадут .

Однако, если необходимо управлять интенсивностью свечения светодиодов необходимо увеличить частоту сигнала ШИМ, так, чтобы обмануть человеческий глаз. Теоретически переключения с частотой 50 Гц уже не незаметны для человеческого глаза, что в результате дает эффект уменьшения яркости свечения светодиода.

Чем меньше коэффициент заполнения, тем слабее будет светиться светодиод, поскольку во время одного периода светодиод будет гореть меньшее время.

Такой же принцип и подобную схему можно использовать и для . В случае двигателя необходимо, однако, применять более высокую частоту переключений (выше 15-20 кГц) по двум причинам.

Первая из них касается звука, какой может издавать двигатель (неприятный писк). Частота 15-20 кГц является теоретической границей слышимости человеческого уха, поэтому частоты выше этой границы будут неслышны.

Второй вопрос касается стабильности работы двигателя. При управлении двигателем низкочастотным сигналом с малым коэффициентом заполнения, обороты двигателя будут нестабильны или может привести к его полной остановке. Поэтому, чем выше частота сигнала ШИМ, тем выше стабильность среднего выходного напряжения. Также меньше пульсаций напряжения.

Не следует, однако, слишком завышать частоту сигнала ШИМ, так как при больших частотах транзистор может не успеть полностью открыться или закрыться, и схема управления будет работать не правильно. Особенно это относится к полевым транзисторам, где время перезарядки может быть относительно большое, в зависимости от конструкции.

Слишком высокая частота сигнала ШИМ также вызывает увеличение потерь на транзисторе, поскольку каждое переключение вызывает потери энергии. Управляя большими токами на высоких частотах необходимо подобрать быстродействующий транзистор с низким сопротивлением проводимости.

Управляя , следует помнить о применении диода для защиты транзистор VТ1 от индукционных всплесков, появляющимся в момент выключения транзистора. Благодаря использованию диода, индукционный импульс разряжается через него и внутреннее сопротивление двигателя, защищая тем самым транзистор.

Для сглаживания всплесков питания между клеммами двигателя, можно подключить к ним параллельно конденсатор небольшой емкости (100nF), который будет стабилизировать напряжение между последовательными переключениями транзистора. Это также снизит помехи, создаваемые частыми переключениями транзистора VT1.

Технология усиления звуковых сигналов развивается уже в течение 15-20 лет. Она имеет вполне определенные преимущества перед той, что реализована в широко распространенных аудиоусилителях классов A или AB. Мы имеем в виду усилитель D-класса. Его преимущество обусловлено прежде всего высоким КПД.

Классы автомобильных усилителей

Усилитель звука для авто, работающий в классе А, состоит из транзисторных каскадов, которые включены (проводят ток) как в течение всего времени действия входного аудиосигнала, так и при его отсутствии. У него низкий уровень искажений усиленного выходного звукового сигнала, поскольку его транзисторы работают на линейных участках своих характеристик и полностью транслируют входные сигналы на выход схемы, но он при этом имеет весьма низкий КПД. Эти устройства обычно предназначены для высококачественных аудиоприложений, для которых вопросы потерь мощности не являются определяющими. Транзисторы усилителей класса B проводят только либо отрицательные, либо положительные полуволны входного сигнала. Причем наличие зон нечувствительности вблизи нулевой отметки приводит к высокому уровню искажений. Однако этот эффект обеспечивает гораздо лучшие характеристики, чем в устройствах типа A. Усилитель класса AB комбинирует особенности обеих предыдущих с целью получения лучшего КПД, чем в классе A, но меньших искажений, чем в типе B. Хотя эти устройства хорошо подходят для маломощных приборов, или в лучшем случае средней мощности, тенденцией последних лет становится выпуск все более мощных усилителей. Когда-то 30 Вт считалось вполне достаточно, чтобы удовлетворить большинство потребителей. Теперь же этого вряд ли хватит, чтобы создать качественный стереоусилитель звука для авто. В результате были созданы новые их классы, включая и класс D, чтобы справиться с этой высокой мощностью потребления.

В чем преимущества устройств D-класса

Архитектура их полностью отличается от усилителей других вышеперечисленных классов и аналогична схемам импульсных (ИБП). Усилитель D-класса также основан на использовании высокочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ, или англ. PWM) для создания выходного сигнала. Его транзисторы либо полностью включены (падение напряжения на них очень мало), либо полностью выключены (ток через них близок к нулю). В обоих случаях мощность электропотерь (произведение тока на падение напряжение) очень мала, и они, как правило, теряют гораздо меньше энергии в виде тепла. Таким образом, эта архитектура хорошо реализуется на основе очень малогабаритных и экономичных МОП-транзисторов. Усилитель D-класса может достигать очень высокого уровня энергоэффективности, что приводит к значительной экономии энергии источника питания. Однако преобразование входного аудиосигнала в ШИМ-сигнал, сопровождающееся его квантованием, само может вызвать больше искажений на выходе, чем в усилителе другой архитектуры. Целью создания устройств этого класса было уменьшение искажений на низких уровнях при сохранении высокой энергоэффективности.

Сравнение КПД усилителей различных классов

На рисунке ниже показана типовая зависимость КПД от выходной мощности для устройств классов D и AB.

Теоретическая максимальный КПД в D-классе достигает 100 %, и свыше 90 % достижимо на практике. Обратите внимание, что он достигает значений в 90 % уже при умеренной выходной мощности, тогда как максимум КПД в классе AB в 78 % получается только при полной мощности. В практическом же усилении музыкальных сигналов реализуется КПД менее чем 50 %. Усилитель звука класса D при высоком КПД потребляет меньше энергии для заданной выходной мощности, но еще более важно, что резко уменьшаются требования к теплоотводу. Тот, кто построил или видел мощный аудиоусилитель, наверняка знает, что для поддержания относительно невысокой температуры электроники необходимы большие алюминиевые радиаторы.

Нагрузка на силовой трансформатор уменьшается также на значительную величину, позволяя использовать меньший его габарит для той же выходной мощности. Можно ли собрать усилитель класса D своими руками?

На рисунке ниже показано такое устройство на 400 Вт.

Квалифицированный радиолюбитель не увидит в этой конструкции ничего такого, что заставило бы его отказаться от ее собственноручной реализации.

Область преимущественного использования

Если углубиться в детали этой технологии, можно заметить, что хороший (низкий уровень искажений, полный диапазон) усилитель мощности D-класса должен работать на довольно высоких частотах, в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц, при использовании высокоскоростных сигнальных устройств и соответствующих источников питания. Поначалу это обусловило использование этого класса там, где не требуется полная пропускная способность и допустим более высокий уровень искажений, то есть в сабвуферах и в устройствах для промышленного использования.

Однако со временем все изменилось, и благодаря сегодняшнему быстродействию транзисторных ключей, использованию передовой техники обратной связи можно разработать устройства класса D для всевозможных применений, включая и звуковой усилитель в машину. Они характеризуются высоким уровнем мощности, небольшими размерами и низким уровнем искажений, сопоставимым с хорошей конструкцией класса AB.

Усилитель класса D: схема структурная

Он может быть реализован в аналоговой или цифровой форме. Аналоговый вариант обычно состоит из компаратора, генератора треугольного сигнала и нескольких блоков для преобразования входного сигнала перед подачей его на выходные МОП-транзисторы. Схема такого аудиоусилителя показана на рисунке ниже.

Звуковой сигнал сначала преобразуется в импульсный широтно-модулированный (сокращенно ШИМ). Подобно сигналам в схемах цифровых устройств, принимающих всего два уровня - логических 1 и 0, он также имеет всего два уровня - высокий и низкий. Однако переменный уровень входного аудиосигнала содержится в таком его параметре, как длительность импульса. Чем больше входной сигнал, тем меньше длится импульс. Конечно, такая замена аналогового сигнала, способного принимать бесконечное число значений на любом интервале длительности импульса ШИМ-сигнала, всего одной величиной этой длительности приводит к потере информации. Но чем бльше частота следования импульсов, тем точнее воспроизводится впоследствии звук. Как же именно преобразует его усилитель класса D? Схема его содержит выходной каскад на полевых транзисторах, показанный отдельно на рисунке ниже.

Они усиливают входные импульсы, не внося в их форму практически никаких искажений. Усиленный ШИМ-сигнал, проходя далее через выходной фильтр нижних частот, вновь преобразуется в аналоговую форму, представляющую усиленный входной сигнал.

Еще раз о мощности, рассеиваемой выходными транзисторами

Простой усилитель звука (класса A или AB) имеет по крайней мере одно из выходных устройств (в виде биполярного или полевого транзистора), которое проводит ток в любой момент времени. Текущий через него ток I проходит через переход коллектор-эмиттер (или сток-исток), где есть некоторое падение напряжения U. Даже если нет выходного сигнала, небольшое количество тока должно протекать через транзистор. Поскольку величина P = U*I определяет рассеиваемую мощность, то некоторое тепловое рассеяние на нем имеет место. С увеличением выходного напряжения уровень заряда на транзисторе будет падать, но текущий ток при этом увеличится. При насыщении (отсечке) напряжение между коллектором и эмиттером (стоком-истоком) будет низким, но текущий ток станет довольно высоким. И наоборот, при низком уровне выходной мощности текущий ток небольшой, но большое падение напряжения. Это приводит к кривой рассеиваемой мощности, которая зависит нелинейно от выходной мощности. Существует ненулевое минимальное тепловое рассеяние (минимальный КПД) и точка, где достигается КПД около 78 % в устройстве чистого класса AB, и 25 % или менее - в классе A.

Простой усилитель звука класса D, с другой стороны, основывает свою работу на переключении выходного транзистора между двумя состояниями, а именно «Включено» и «Выключено». Прежде чем обсуждать конкретные подробности схем, мы можем сказать, что в состояние «Включено» определенное количество тока протекает через устройство, в то время как теоретически на переходе сток-исток практически не падает напряжение, подаваемое от источника питания (да, почти каждое устройство класса D использует МОП-транзисторы), следовательно, рассеиваемая мощность теоретически равна нулю. В выключенном состоянии падение напряжения будет равно полному напряжению питания, так что транзистор подобен разомкнутому участку цепи, через который ток не течет (что очень близко к реальности).

Что такое ШИМ-сигнал?

Выходные транзисторы усилителя D-класса могут создавать на выходе усилительного каскада всего два уровня напряжения, соответствующие двум вышеупомянутым состояниям. В таком случае синусоида не может быть представлена этими двумя возможными уровнями. На самом деле аудиосигнал модулирует длительность выходных прямоугольных импульсов, которые длятся от одного состояния транзистора до другого, так что информация о нем все же сохраняется. Теперь нам нужно понять, как делается подобная модуляция и как восстановить усиленный звуковой сигнал из импульсного. Наиболее распространенным способом, используемым в устройствах класса D, является ШИМ прямоугольных импульсов. Хотя частота следования последних фиксирована, длительность их меняется в зависимости от входного звукового сигнала. Таким образом, когда входной сигнал увеличивается, длительность импульсов нарастает, а паузы между ними сокращаются, и наоборот.

Схема, генерирующая ШИМ-сигнал

Он обычно генерируется путем сравнения входного сигнала с последовательностью импульсов треугольной формы. Оба сигнала подаются на вход компаратора, как это показано на рисунке ниже.

Треугольные импульсы определяют амплитуду входного аудиосигнала для полной модуляции и частоту переключения выходных транзисторов. «Цифровой» выход компаратора использует стандартные логические уровни, где 0 В соответствует логическому нулю, а 5 В - логической единице. Из-за этой квазиоцифровки ШИМ-сигнала усилители, использующие его, иногда ошибочно называют цифровыми усилителями. На самом деле весь процесс является больше аналоговым, чем цифровым. Скорее всего, ШИМ-сигнал можно отнести к дискретным сигналам, а частота следования его импульсов является частотой дискретизации исходного аналогового сигнала.

Как генерируется ШИМ-сигнал

Нижеприведенный рисунок иллюстрирует, как звуковой сигнал преобразуется в форму ШИМ с использованием компаратора, который сравнивает аудиосигнал, состоящий из синусоидальных волн-гармоник сравнительно низкой частоты, с треугольным сигналом гораздо более высокой частоты.

На выходе компаратора формируется высокий уровень, если мгновенное напряжение треугольной волны ниже, чем у звукового сигнала, или низкий, если оно выше. Логика данного преобразования может быть и обратной. Тогда высокий уровень сформируется, если треугольный сигнал превысит синусоидальный, а низкий - в обратном случае, как показано на рисунке ниже.

В любом случае выход компаратора состоит из серии импульсов, чья ширина изменяется в зависимости от мгновенного уровня входного сигнала. Средний уровень ШИМ-сигнала имеет ту же форму, как и исходный звуковой сигнал.

Как восстановить аудиосигнал из ШИМ-сигнала

Чтобы получить из дискретного ШИМ-сигнала точную копию входного аналогового напряжения, частота его дискретизации должны быть намного выше, чем максимальная частота в его спектре. Согласно теореме Найквиста (в отечественной теории электросвязи используется ее аналог - теорема Котельникова), это превышение должно быть, по крайней мере, двойным, однако в высококачественных усилителях с низким уровнем искажений используют большую кратность (обычно от 5 до 50).

ШИМ-сигнал, усиленный выходным транзисторным каскадом, содержит низкочастотные компоненты, которые полностью воспроизводят спектр входного аудиосигнала. Но он также содержит компоненты с частотой дискретизации (и ее гармоники), которые должны быть удалены для того, чтобы восстановить оригинальный модулирующий звуковой сигнал. Мощный фильтр нижних частот необходим для достижения этой цели. Обычно в его качестве используется пассивный LC-фильтр, потому что в нем почти нет потерь, и он имеет малое или почти отсутствующее рассеивание. Хотя всегда должны быть некоторые потери, на практике они являются минимальными.

Цифровая реализация

Цифровой усилитель D-класса состоит из блоков обработки и передачи цифровых данных, реализованных на микроконтроллере, и блока генерирования ШИМ-сигнала. Он может быть реализован как внешнее, автономное устройство к уже готовой аудиосистеме. Однако это ведет к дополнительным расходам (нужно приобрести и припаять микросхемы) и потенциальному росту стоимости отладки интерфейса между источником входного аудиосигнала и усилителем.

Усилитель звука на микросхеме микроконтроллера характеризуется следующим:

Частота ШИМ-сигнала (дискретизации) должна быть не менее чем в 10 раз выше, чем максимальная частота входного сигнала, чтобы можно было его адекватно реконструировать на выходе усилителя;

Высокой разрешающей способностью процесса управления шириной ШИМ-импульсов для предотвращения искажений квантования выходного сигнала;

Наличием метода взятия выборок входного аналогового сигнала;

Быстродействующим ядром для цифровой обработки и управления данными;

Интерфейсом для передачи ШИМ-сигнала на внешние MOSFET-транзисторы.

Примером реализации устройства, способного удовлетворить все эти требования, является 32-разрядный микроконтроллер типа SiM3U1xx с быстродействующими периферийными устройствами ввода/вывода производства компании Silicon Labs (Остин, Техас, США). Эти микроконтроллеры однозначно подходят для нетрадиционных приложений типа усилителей мощности класса D, непосредственно подключающихся к динамикам. Единственные внешние компоненты, необходимые для аудиоусилителя на SiM3U1xx, являются дроссель и несколько конденсаторов. Устройства ввода-вывода также имеют программируемое ограничение тока, позволяют использовать до 16 уровней громкости без необходимости прошивки для масштабирования аудиоданных, экономя при этом время и объем памяти. Поскольку они запитаны отдельным от остальной части устройства напряжением, то их можно подключать к внешним мощным МОП-транзисторам.

SiM3U1xx-устройства также включают USB-трансивер, совместимый с USB-аудиоинтерфейсом, встроенную флэш-память на 256 Кб, два 12-разрядных аналого-цифровых преобразователя, осуществляющих оцифровку потокового аудио с ПК или портативного музыкального проигрывателя. Структурная схема устройства показана на рисунке. Оно вполне может использоваться как усилитель в машину.

=========================

Итак.
Хочешь что-то — сделай это САМ...
В интернете, действительно, есть всё — надо только найти.
Найти и..
..и систематизировать всё в одном месте. Т.к. в интернете вся эта информация присутсвует, но она размазана по разным местам по маленьким кусочкам -- в одном месте упоминается одно, в другом другое, а общей картины нет. НО.. Но если собрать все эти кусочки в одном месте (файле) и затем отредактировать в единый информационный поток, то
, то можно собрать из них полную картину (как паззл/puzzle) ,
что я, собственно, и собираюсь сделать.

Итак. забив в поиске "полностью цифровой усилитель" сразу получаю практически полноценный ответ:

"полностью цифровой усилитель" ссылка 1 = http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic=4078.0
цитата
:
Полностью цифровой усилитель
« : 06 Августа 2014 , 11:47:55 »

Мучаю на макете полностью цифровой усилитель на техасском чипсете.
Модулятор TAS5548, выходной каскад TAS5612LA.
Вход многоканальный I2S,
источник - компьютер,
USB интерфейс - Фламенко.
Управление модулятором пока от Arduino.
В качестве РГ - энкодер.
Питание всего 12В, выходная микруля греется не сильно, даже не стал ставить радиатор.
Мощности для акустики 84 Дб - за глаза.
""""""""""""""""" конец цитаты """"""""""""""""""

===================================

Первое что бросается в глаза -- это, а что такое «I2S»

"""""""""""""" Цитата """""""""""""""
Универсальное устройство на sc4392
предназначено для
приема аудиоданньіх по SPDIF и преобразованию в i2s
и коммутацию нескольких источников цифровьіх аудиоданньіх.
На борту
4 входа:
3 SPDIF из них один разведен под TOSLink,
1 кв.шина, максимальная частота семплирования 192КГц
2 вьіхода:
Кв.шина и повторяющий ее SPDIF вьіход.
"""""""""""""" конец цитаты """""""""

Дальше я сохраню в этом же файле свою переписку 2015 года с человеком, который.. казался мне большим докой в цифровых усилителях.
"Меня зовут Костяной Сергей Александрович. Сейчас живу в глубинке в Воронежской области. "

"""""""""""""" Цитата """""""""""""""

Привет!

Иногда пишут как IIS

На вход TAS5548 нужен i2s.

Переписка целиком
Привет!

Честно говоря у меня сейчас мало времени.

С первым девайсом:

Из всей начинки, там позного: Блок питания, модулятор, и выходной каскад.

5.1 - 6 каналов. Тебе нужно не i2s, а i6s:)

Это чудо подключаем к модулятору. Модулятором можно управлять через USB-i2C переходник.
Ну конечно нужен будет некий софт, если нужно что-то крутить на аппаратном уровне.
Лучше все делать софтом, на компе.

Звуковая карта не нужна. В ней есть смысл, если есть аппаратная доработка звука или мегакрутой ЦАП для аналогового усилителя.

В Tomson можно убрать АЦП, и прилепить вместо него более простой i2s интерфейс например CM6631A
Каналы крутить через встроенное MCU.

По поводу вывода i2s из компа. В теории это можно сделать. Даже из встроенного кодека.
Но неужели встроенный в мост контроллер звука такой хороший?
Опять же CM6631A или XMOS - более правильное направление.

Вообще я смысла не вижу, разве что, при наличии Creative x-fi с аппаратным улучшайзером...

Непосредственный вывод i2s очень не дальнобойный. Максимум 30 см до модулятора, или начнутся сбои.
Лучше посадить чип модулятора прямо над старым ЦАП. PWM можно уже будет удлинить на большие расстояния, без особых проблем.

Но процы сейчас такие мощные, что и софтовый аудиоплагин можно юзать.
Опять же CM6631A или XMOS - более правильное направление, чем ковырять звуковухи тем более на материнке.
Например это https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer

По поводу ручек.
Аналоговая ручка ни о чем не говорит. Сигнал с регулятора может быть оцифрован MCU и даваться по i2c в модулятор.
Может не по шине, а на управляемый аттенюатор. В общем нужно разбирать и смотреть.

По поводу TOSHIBA SD-530 E - да, там может быть крутой ЦАП в маркетинговых целях. Скорей всего в него заводится i2s.

Чтобы достать от туда i2s нужен переходник на парафазную линию через специальный драйвер. Потом в RJ-45.
Потом в приемном устройстве RJ-45. Приемник парафазного сигнала. Потом получаем дискретный i2s. Его можно подать в ЦАП или модулятор.

Это все очень не просто, не благодарно и не выгодно. У меня мало времени, чтобы бороться с буржуйским маркетингом.

Никаких крутых DVD и блюреев. Только HTPC с мощным процом, чтобы 4К крутил, с запасом на обработку звука и прочих шлюх.

Звуковые карты не нужны. Нужен крутой аудио-интерфейс с достаточным количеством каналов.

Например это https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer
10 x OUT multi-channel USB audio interface (8 x I2S)
Можно сделать отдельно многополоску и настраивать все программно, прямо на компе. И без маркетинговых кровопийц.

Вопросы?

В письме от 8 июня 2016 01:44:14 Вы написали:
> ПРИВЕТствую!!! о Сергей:)
>
> снова нуждаюсь в помощи профессионала.
>
> Нашёл тут DVD домашний кинотеатр в одном - Tomson (модель уточню)
> суть в том, что выход не в виде линейных выходов 5.1
> а на выходе 5.1 цифровой усилитель - 5.1 выходы сразу на колонки включая даже ПАССИВНЫЙ сабвуфер.
>
> Мы когда-то хотели заказывать в Китае такую плату. так она денег стоит.... не копеечная. А тут она же самая, видимо.
>
>
> Но по законам запланированного устаревания у модели НЕТ входов.
> т.е.
> лазер от времени стал читать плохо, часто заикаится. Да и время болванок "ушло безвозвратно".
>
> А использовать ВНУТРЕННИЙ ПОТЕНЦИАЛ = полноценный цифровой усилитель 5.1 - НЕТ возможности.
>
> Сделан 2.0 АНАЛОГОВЫЙ вход. и тот звучит не плохо. Но это же сколько преобразований
> сперва из цифры в аналог, что бы подать на аналоговый же вход, после которого снова АЦП что бы подать на цифровой усилитель цифру.... 3 преобразования из исходной ЦИФРЫ в ту же ЦИФРУ....
>
> Кому я чего объясняю:)) - ты сам мне это объяснял в прошлом письме.
>
>
>
> Вопрос.
>
> Расскажи как вывести из компютера -- из звуковой карты этот самый I2S ?
>
>
> Сколько бы ты взял (рублей) за такую работу?! -- вот только как бы тебе переслать аппарат...(ну это, в принципе, решаемо)
>
>
>
> Есть эта же модель Тоmson , но более старшая, у неё уже сделан хотя бы ОПТИЧЕСКИЙ вход.
>
> секундочку у меня же есть документация
>
> THOMSON DPL913VD.pdf
> http://vk.com/doc5542158_437445096
>
> это кажется тот что у меня
>
>
> А вот более старшая модель 950:
> http://vk.com/doc5542158_437451143
>
>
> а вот тот преобразователь который....
> http://vk.com/doc5542158_437451125
>
> на который видимо и надо заводить I2S со звуковой карты.
>
>
> Если освоить это, то можно делать бизнес,
> т.к. народ сейчас тупо ВЫКИДЫВАЕТ такие аппараты
> т.к. викидывают и все диски... а он кроме как с диска иначе... ну разве что СТЕРЕО усилитель... но людям НЕ надо.
> я нашёл на помойке....
>
> ===========================
> ===========================
>
>
> Вопрос 2
>
> Подарил мне друг систему
>
> Cambrige DTT 2500
> фотка = http://vk.com/photo5542158_416539186
>
> по Coaxial он имеет внутренний AC3 Dolby Digital деккодер. К сожаления нет DTS -- вот уроды....
> DTS раскодировать нынче не проблема - и я прикупил себе топовую Creative ZxR
>
> но эти "умные люди" предвидели это и кроме ОТСУТСВИЯ DTS
> они ещё предусмотрели и ОТСУТСВИЕ 5.1 входов.
> Есть только вход 4.0 , при том что усилитель 5.1
>
> "висит груша - нельзя скушать"
>
> есть усилитель 5.1 уже ВТОРОЙ, но я не могу им воспользоваться.
>
>
> но на этом DTT2500
> есть АНАЛОГОВАЯ ручка регулировки уровня громкости ЦЕНТРАЛЬНОГО канала
> при том что нет для него аналогового входа
>
> и это наводит меня на мысль, что
> раз ручка АНАЛОГОВАЯ,
> то она может регулировать лишь АНАЛОГОВЫЙ сигнал,
> т.е. можно подпаться к ней и подавать внешний вход ЦЕНТРАЛЬНЫЙ прямо напрямую на неё...
>
> Но там же ещё где-то схема обрезания БАСОВ, т.к. колоночки лишь СЧ/ВЧ, весь бас обрезается в САб.
> а тут уже скорее всего ОБРЕЗАНЫЙ аналоговый сигнал.
>
> т.е. завести то сигнал я может так и смогу, но...
> но таким образом я рискую перегрузить колоночку и усилитель НЕ обрезанными БАСАМИ.
>
> Колончки в силу своего микро размера ОЧЕНЬ НРАВЯТСЯ
> я расставил их вокруг себя
> в непосредственной близости
> и абсолютно симметрично
> чем достиг коллосальный эффект от симметрии.
> все 5.1 эффекты передаются максимально 100% (ну с поправкой на обрезку басов в единый саб.)
>
> но вот я не могу подать центральный канал....
>
> и кажется даже если подам напрямую на регулятор,
> то я должен буду как-то сам куда-то заранее обрезать с его БАС.
>
> А ведь аппарат Cambrige -- и звучит... ну мне для дома хватает.
>
> Как бы мне научиться подавать центральный канал.
> ведь по SpDif Coaxial он понимает все 5.1 - но там по ЦИФРЕ...
> а тут мне надо подать АНАЛОГОВЫЕ 5.1
>
> =============
> =============
> =============
>
>
> и третья задача.
>
> есть DVD Player TOSHIBA SD-530 E
>
> http://www.stereo-journal.ru/149491-toshiba_sd_530e.html
>
>
> на борту которого написано, что в нём установлен некий 192 kHz 24 bit ЦАП/DAC
> опять же хотелось бы его использовать в качестве СТЕРЕО ЦАП
>
> сам я врядли смогу сделать - я математик. я резистор от транзистора с трудом отличу.
>
> А вот за задачу с Tomson я готов заплатить, ОБОСНОВАНУЮ цену.
>
> ну или и вправду попробовать найти какие провода надо искать (по каким признакам?)
> по идее надо соединить I2S со звуковой карты
>
> видимо с его внутреннего ЛАЗЕРА идёт та же самая I2S , как и на звуковой карте.
> но эти стандарты к сожалению не имеют обукновения выводиться наружу,
> хотя с появлением ЦИФРОВЫХ усилителей
> приходит именно их пора.
>
>
> =========================
> =========================
> =========================
>
>
>
>
>
> >Пятница, 6 ноября 2015, 0:36 +03:00 от Сергей Костяной :
> >
> >Привет!
> >Выбирай http://kostyanoysa.ru/?p=154
> >
> >Честному цифровому усилку нужен цифровой звук! i2s!
> >https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/I2SBUS.pdf
> >Иногда пишут как IIS
> >
> >Эти последовательные i2s данные могут быть преобразованы в аналог мага-дорогой микросхемой ЦАП, и усилены мегадорогим усилком.
> >Либо!
> >Эти данные поступают в модулятор (например TAS5548), который переведет их в точную длительность открытия ключевых транзисторов, а звук в аналоговый преобразуется уже на выходном фильтре.
> >
> >В первом случае мы получаем шумы и искажения ЦАП, а потом их еще и усиливаем, с посторонними помехами, да и теряем на КПД АВ усилителя.
> >Во втором случае получаем идеальный выходной сигнал. Качество звучания во много зависит от согласования выходного фильтра с АС.
> >
> >Так чтобы обойтись без аналога, надо иметь звуковую карту с цифровым выходом или SPDIF который потом опят преобразуется в I2s
> >SPDIF и I2s - цифровые интерфейсы но протоколы разные.
> >На вход TAS5548 нужен i2s.
> >На выходе TAS5548 поучаем ШИМ и подаем на выходной чип. Если хочешь - можно взять не чип, а драйвер затвора (типа IR2110) и мощные полевые транзисторы (типа IRFP4321). Будет "дубово"!
> >
> >В письме от 6 ноября 2015 00:11:39 Вы написали:
> >> ПРИВЕТствую Сергей.
> >>
> >> Хочу разобраться в одной звуко.. инженерной задачке
> >> уверен тебе будет интересно,
> >> а быть может, ты "сто лет в обед" знаешь об этом.
> >>
> >>