Усилители мощности класса Д

Усилители класса Д применяются главным образом для усиления звуковых частот. Принцип их действия состоит в преобразовании усиливаемого сигнала в последовательность модулированных по ширине импульсов (ШИМ), следующих с тактовой частотой F_T, усилении их ключевым усилителем и в последующем выделении низкочастотной составляющей ШИМ сигнала в нагрузке фильтром низкой частоты (ФНЧ). Структурная схема усилителя и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 72.

Здесь показаны напряжения генератора тактовых импульсов U_гти, формирователя пилообразного напряжения U_пн, выходное напряжение компаратора U_шим и напряжение на нагрузке.

Спектр ШИМ сигнала содержит бесконечное число гармоник тактовой частоты nF_T и их комбинации с гармониками усиливаемого сигнала nF_T ± mF. Ряд этих комбинационных частот попадает в полосу пропускания ФНЧ и вызывает искажения выделяемого в нагрузке НЧ сигнала, обусловленные принципом модуляции. Их уровень зависит от формы пилообразного напряжения и отношения ширины полосы пропускания ФНЧ F_ф к тактовой частоте F_Т.

Из анализа спектров ШИМ сигналов следует, что наилучших результатов можно достичь при использовании равностороннего пилообразного напряжения, а уровень искажений, обусловленных принципом модуляции, падает с уменьшением отношения F_ф/F_T, причем при F_ф/F_T ≤ 0.2 он ниже -40 дБ.

Следует заметить, что увеличение тактовой частоты с целью снижения данного типа искажений приводит к росту искажений, обусловленных неидеальностью работы транзисторного ключа на повышенных частотах (искажение длительности усиливаемых импульсов за счет инерционности включения и выключения).

Существует большое число вариантов построения выходного каскада УНЧ класса Д. При использовании УНЧ с ШИМ в качестве модуляторов и регуляторов коллекторного напряжения в транзисторных радиопередатчиках выходной каскад, как правило, строят по однотактной схеме. Простейший вариант такой схемы приведен на рис. 73.

В этой схеме при изменении ширины импульсов (t_и) от 0 до Т = 1/F_Т напряжение на R_Н и ток транзистора V1, равный току нагрузки, изменяются пропорционально t_и:

В паузе между импульсами, когда транзистор заперт, ток нагрузки замыкается через диод V2, минуя источник питания Е. Поэтому среднее значение тока через источник питания равно среднему току через транзистор

Средние потери мощности в транзисторе и диоде составляют:

где

Электронный КПД каскада равен

Фильтр низкой частоты рассматриваемого усилителя при заданных значениях R_H и F_ф рассчитывается по известным методикам и в принципе может быть многозвенным. Однако на практике ограничиваются однозвенным фильтром, так как в противном случае возникают трудности с введением ООС. Для такого фильтра при аппроксимации его характеристики по Баттерворту, значения L и С определяются формулами . В силу конечного значения индуктивности дросселя L ток в нем не остается постоянным в течение периода тактовой частоты, а оказывается линейно-изменяющимся. При недостаточной величине L и малой длительности импульса t_Иток дросселя, уменьшаясь в паузе между импульсами, может достичь нулевого значения, что приведет к неопределенности потенциала на входе фильтра и искажению формы выходного сигнала. Для исключения такого рода искажений величина L должна отвечать условию: L ≥ 0.75R_HT.

Расчет усилителя при использовании его в качестве коллекторного модулятора ВЧ генератора проводят в следующем порядке:

1. Выбирают F_T = (5…7)F_max, где F_max – максимальная частота спектра модулированных частот.

2. Находят максимальные ток нагрузки I_{o max} и сопротивление нагрузки R_H: где Е_{о max} и Р_{о max} – напряжение питания и мощность, потребляемая ВЧ генератором в пиковой точке.

3. Выбирают тип транзистора и диода из условий: , где e_доп, i_доп – допустимые значения напряжения и тока транзистора или диода. Если ток I_{o max} превышает возможный ток используемых транзисторов и диодов, то применяют их параллельное соединение с включением последовательно с электронными приборами симметрирующих резисторов, имеющих сопротивление R_C > r_H.

Требования к частотным свойствам транзисторов вытекают из необходимости усиливать с минимальными искажениями достаточно короткие импульсы. Минимальная длительность импульса связана с глубиной модуляции соотношением t_{и min} = 1 – m_max/F_T. Необходимое время включения транзистора t_вкл определяют из условия

4. По известным параметрам транзистора и диода рассчитывают КПД в режиме несущей частоты и определяют напряжение источника питания Е_о = Е_{о max}/η.

5. Определяют параметры ФНЧ, выбрав F_ф ≥ (1.5 … 2)F_max, что необходимо для осуществления противосвязи.

6. Проверяют выполнение условия L ≥ 0.75R_HT. Если оно не выполняется, увеличивают тактовую частоту.

Литература.

1. Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС. М: Высш. шк. 1991.

2. Радиопередающие устройства. Метод. указания по курсовому проектированию. Под ред. З.И.Моделя. Л. ЛПИ 1985.

3. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Уч. пособие. /В.М. Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др.: - М.: Горячая линия. – Телекоммуникации. 2011.