Eine Aufschlüsselung von Klasse-D-Verstärkern

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Anonim

Eine Aufschlüsselung von Klasse-D-Verstärkern


Was ist ein Class-D-Verstärker?

Ein Class-D-Verstärker ist im Grunde ein Schaltverstärker oder PWM-Verstärker. Im Vergleich zu Class A-, AB- und B-Verstärkern ist die Verlustleistung der Ausgangsstufe in einem Class-D-Verstärker viel geringer, so dass die Effizienz dieser Verstärker über 90% steigen kann. Dieser Unterschied verleiht der Klasse D wesentliche Vorteile bei tragbaren Audiolösungen, da die geringere Verlustleistung weniger Wärme produziert, Platz auf der Leiterplatte spart und die Lebensdauer der Batterie verlängert.

Ein Class-D-Verstärker hat folgende Funktionsblöcke:

Eingabefilter

Der Eingangsfilter ermöglicht es dem Verstärker, das Eingangssignal für einen optimalen Betrieb auf den richtigen Gleichspannungspegel vorzuspannen. Der Eingangsfilter ist ein Hochpassfilter, der die Gleichstromkomponente aus dem Eingangssignal eliminiert. Der Eingangsfilter beeinflusst den Low-Frequency-Pol und die Verstärkung und die Leistung des Ausgangssignals.

"Pwm amp" von Rohitbd in der englischsprachigen Wikipedia. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Commons.

Integrator

Der Integrator führt die mathematische Operation des Summierens der Eingangsspannung und der Rückkopplungsspannung durch. Die Integration von Verstärkerschaltungen beeinflusst den niederfrequenten Pol und die Bandbreite des Ausgangs.

Referenzgenerator

Die Referenzgeneratorschaltung ist eine Spannungsteilerschaltung, die zwei Referenzspannungen erzeugt, um zwei Komparator-Operationsverstärker in der h-Brücken-Steuerschaltung zu speisen. Es erzeugt auch eine Gleichtaktspannung, die die Integratorschaltung ansteuert. Je näher die Werte von zwei Referenzspannungen sind, desto besser ist die gesamte harmonische Verzerrung (THD).

Einschalt-Reset

Die Einschalt-Rücksetzschaltung stellt während des anfänglichen Einschaltens eine interne Rückstellung für alle Schaltungen bereit. Es überwacht auch die Stromversorgungen zum IC und stummgeschaltet die Ausgänge und gibt einen Reset aus, wenn die Spannungen niedriger als der minimale Betriebsbereich sind. Die Einschalt-Rücksetzschaltung ist verantwortlich für die Lieferung der Energie während der Zeit, die der Pegelumsetzer benötigt, um auf die erforderliche Spannung hochzuschalten.

H-Brücke

Die H-Brücke besteht aus einem Paar von PMOS und einem Paar von NMOS. Die Gates dieser vier Transistoren werden von den vier Ausgängen der H-Brücken-Steuerung angesteuert. Vollständige H-Brücken-Schaltungen laufen im Allgemeinen von einer einzigen Versorgung (VDD) aus, wobei Masse für die negative Versorgungsklemme (VSS) verwendet wird. Für eine gegebene VDD und VSS bedeutet die differentielle Natur der Brücke, dass sie das doppelte Ausgangssignal und die vierfache Ausgangsleistung von unsymmetrischen Implementierungen liefern kann. Nur vier von vier Transistoren sind gleichzeitig angeschaltet. Dies senkt den Stromverbrauch und trägt zur Effizienz des Verstärkers bei.

Schießen durch Strom in H-Brücke

Ein Problem, das "Durchschießen" genannt wird, kann die Effizienz von Klasse-D-Verstärkern reduzieren und zu einem möglichen Betriebsausfall führen. Dies geschieht während des Übergangs, wenn ein Gerät abgeschaltet wird und ein anderes Gerät eingeschaltet wird. Während des Übergangs sind beide Geräte für eine sehr kleine Zeit eingeschaltet, und ein großer Stromimpuls kann durch beide fließen. Dies kann eliminiert werden, indem die Gates der MOSFETs mit asymmetrischen Rechteckwellen unter Verwendung von zwei Komparatoren angesteuert werden, so dass eine Vorrichtung abgeschnitten wird, bevor die andere eingeschaltet wird.

Leistungsverluste in der H-Brücke

Ein wichtiger Aspekt beim Entwurf von MOSFET-basierten Brücken ist die Größe des MOSFET. Die optimale Chipgröße für minimale Verlustleistung hängt von der Lastimpedanz, der erforderlichen Ausgangsleistung und der Taktfrequenz ab. Je größer die Größe des Transistorchips ist, desto größer ist der Schalt- und Gateverlust. Größere Größe reduziert den Leitungsverlust. MOSFET-Leitungsverluste beziehen sich auf RDS (on), den Drain-Source-Widerstand. RDS (on) ist temperaturabhängig und nimmt zu, wenn die Temperatur der Verbindung (TJ) ansteigt. Während des Verstärkerbetriebs bestimmt der Drain-Strom die Leitungsverluste wie in der folgenden Gleichung gezeigt:

P (Leitung) = (ID RMS) 2 • RDS (ein)

Die Effizienz des Verstärkers hängt von den gesamten Leistungsverlusten des MOSFET ab. Der Leistungsverlust in MOSFETs ist das Ergebnis von Leitungs-, Schalt- und Gate-gesteuerten Ladungsverlusten, die durch die Beziehung in der nachstehenden Gleichung gezeigt sind:

Gesamtleistungsverlust = P (Schalten) + P (Leitung)

Um den Schaltverlust und die Verzerrung zu minimieren, wird eine Einschalt-Rücksetzschaltung verwendet. Der Power-On-Reset wird hoch, wenn der Kondensator des Level-Shifters nicht ordnungsgemäß geladen ist und umgekehrt.

Darüber hinaus beeinflussen die Leistungsverluste des MOSFET die Übergangstemperatur TJ des MOSFET, da der größte Teil der Verlustleistung in Wärme umgewandelt wird. Die Sperrschichttemperatur ist eine wichtige Konstruktionsbeschränkung, da sie die Größe des zu verwendenden Kühlkörpers bestimmt. Hohe Verlustleistung erhöht TJ und damit die Kühlkörpergröße.

H-Brückensteuerung

Die H-Brückensteuerung steuert die an die H-Brücke anzulegenden Eingangsspannungen. Die H-Brücke hat zwei Komparatoren: D-Flip-Flops und zwei Halbbrücken-Schaltkreise, die den MOSFETs Impulse entgegengesetzter Polarität zuführen. Zwei Komparatoren werden von den Referenzspannungen der Referenzgeneratoren gespeist. Diese erzeugen eine Rechteckwellenausgabe, die an D-Flip-Flop als Eingabe geliefert wird. D-Flip-Flops dienen als Zwischenspeicher für den Komparatorausgang, um ihn mit einem einzelnen Takt zu synchronisieren, der in ihn eingegeben wird. Puffer verhindern, dass der Pegelumsetzer zurück in den H-Brücken-Steuerkreis fließt.

Level Shifter

Der Pegelumsetzer steuert die PMOS-Gate-Spannung an. Die Einschalt-Rücksetzschaltung ist verantwortlich für das Zuführen der Spannung während der Zeit, die der Pegelumsetzer benötigt, um auf die erforderliche Spannung hochzuschalten. Es ist wichtig, dass die Eingangskapazität des Pegelumsetzers klein ist, um die Gate-Kapazität des PMOS zu minimieren. Die MOSFET-Gate-Kapazität sollte klein sein, um die Leistungsdissipation und Erwärmung in dem den MOSFET ansteuernden Pegelumsetzer zu minimieren.

Rückkopplungsfilter

Die Rückkopplungsfilterschaltung ist ein proportionales Rückkopplungssystem. Rückkopplungsfilter werden verwendet, da eine hohe Schleifenverstärkung eine leistungsunterdrückende Verzerrung verbessert, die durch Nichtlinearitäten in dem Vorwärtsweg verursacht wird, und ein Reduzieren eines Stromversorgungsrauschens durch Erhöhen der Stromversorgungsunterdrückung (PSR). Die Rückkopplungsspannung ist proportional zur Differenzspannung der linken und rechten Knotenspannungen in der H-Brücke.

Taktgenerator

Die Taktgeneratorschaltung erzeugt ein Taktsignal (bekannt als Taktsignal und verhält sich als solches), das beim Synchronisieren des Betriebs einer Schaltung verwendet wird. Diese Schaltung erzeugt ein Rechtecksignal von 0V-5V. Die Frequenz dieses Rechteckwellensignals wirkt als Abtastfrequenz für das Eingangssignal. Je höher die Abtastfrequenz ist, desto geringer ist die Verzerrung im Ausgangssignal.