Коэффициент полезного действия является основным параметром для усилителей мощности звуковой частоты. Особенно это важно для портативной аппаратуры, такой как радиоприемники или сотовые телефоны. Усилители с высоким к.п.д. применяются и в стационарных устройствах, таких как компьютеры или телевизоры. Усилители класса C позволяет получить достаточно большие значения к.п.д. но их невозможно использовать для усиления звуковых сигналов.
Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:
- ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;
- напряжение на транзисторе при ненулевом токе равно нулю.
Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме. Первое условие будет выполнено, если транзистор полностью закрыть (режим отсечки). Второе условие будет выполнено, если транзистор полностью открыть (режим насыщения). Так работают транзисторы в цифровых микросхемах, например КМОП логики.
Но ведь в этом случае амплитуда сигнала на выходе будет иметь только два уровня. Для того чтобы можно было получить амплитуду сигнала, соответствующую входной, на выходе усилителя звука, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция — ШИМ.
Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Данный процесс иллюстрируется рисунком 1.
Рисунок 1. Процесс формирования ШИМ
Как видно из рисунка 1, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше — тем меньше будет средний уровень сигнала, чем больше — тем больше. В спектре широтно-импульсной модуляции присутствует исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется любым фильтром низкой частоты. Достаточно отфильтровать высокочастотные составляющие двухуровневого сигнала и усиленный первоначальный сигнал можно подавать на громкоговоритель. Спектр широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала приведен на рисунке 2.
Рисунок 2. Спектр сигнала ШИМ
Так как мощность на выходе усилителя мощности обычно составляет значение от единиц до сотен ватт, то обычно применяются LC фильтры. Задача фильтра заключается в подавлении частоты пилообразного сигнала, модулированного полезным сигналом и его гармоник. Для того, чтобы можно было применить простейший фильтр второго порядка, частоту пилообразного сигнала выбирают в пределах двух мегагерц. Так как частота модулирующего сигнала превышает верхнюю частоту звукового спектра в 100 раз, то фильтр второго порядка, состоящий из индуктивности и конденсатора, способен подавить мешающие сигналы на 80 дБ (при соответствующем конструктивном исполнении).
Структурная схема усилителя низкой частоты, работающего в режиме класса D, приведена на рисунке 3
Рисунок 3. Типовая структурная схема усилителя класса D
Данная схема состоит из входного усилителя, обеспечивающего требуемое входное сопротивление, компаратора напряжения, на второй вход которого подается пилообразное напряжение и выходного каскада, собранного на комплементарных полевых транзисторах. Именно эти транзисторы и обеспечивают необходимую выходную мощность. Их быстродействие определяет к.п.д. усилителя. Для оценки коэффициента полезного действия можно воспользоваться зависимостью рассеиваемой мощности от выходной мощности. На рисунке 4 приведены характеристики микросхем усилителя класса D фирмы Texas Instruments TPA2012D2.
Рисунок 4. Сравнение рассеиваемой мощности усилителей класса AB и D
Микросхемы подобного класса предназначены для применения в портативной аппаратуре. В таблице 1 приведены некоторые из таких микросхем. Обратите внимание на очень низкие нелинейные искажения этих микросхем.
| Наименование | Описание | Стерео/моно | Pвых, Вт | Rнагр. (min), Ом | Напряжение питания, B | Нелин. искаж. на мощн. P/2 THD+N* (%), f=1кГц | Коэфф. подавл. помех по цепям питания дБ | Корпус | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| (min) | (max) | ||||||||
| TPA2017D2 | SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс | Стерео | 2,8 | 4 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 80 | QFN-20 |
| TPA2000D2 | усилитель средней мощности | Стерео | 2,5 | 3 | 4,5 | 5,5 | 0,05 | 77 | TSSOP-24 |
| TPA2000D4 | усилитель для стерео телефонов | Стерео | 2,5 | 4 | 3,7 | 5,5 | 0,1 | 70 | TSSOP-32 |
| TPA2012D2 | усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм | Стерео | 2,1 | 4 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 75 | WCSP-16, QFN-20 |
| TPA2016D2 | SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс | Стерео | 1,7 | 8 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 80 | WCSP-16 |
| TPA2001D2 | усилитель низкой мощности | Стерео | 1,25 | 8 | 4,5 | 5,5 | 0,08 | 77 | TSSOP-24 |
| TPA2100P1 | для пьзокерам. излучателя | Моно | 19 Vpp | 1,5 мкФ (пьезо) | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 90 | WCSP-16 |
| TPA2035D1 | дифф. вход, 1,5 х 1,5 мм | Моно | 2,75 | 4 | 2,5 | 5,5 | 0,2 | 75 | WCSP-9 |
