1. Wstęp.

Transkrypt

1 Andrzej Prałat Politechnika Wrocławska Instytut Telekomunikacji i Akustyki W. Wyspiańskiego Wrocław E-mali a.pralat@pwr.wroc.pl, Matyszny Marek Rduch Elektroakustyka Ul 1 Maja Godów Matuszny_marek@interia.pl Wzmacniacz mocy klasy T 2004 Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne Poznań 9-10 grudnia 2004 Streszczenie: Problem sprawności staje się tym bardziej krytyczny nim w większą mocą dysponuje wzmacniacz. Jest to związane w tym że moc straconą trzeba w układzie wytracić. W referacie Przedstawiono opis wzmacniacza mocy i wyniki jego pomiarów w tak zwanej klasy T. 1. Wstęp W pracy zostaną przedstawione opisy konstrukcji wysokosprawnych wzmacniaczy akustycznych pracujących w klasie D oraz T wraz z pomiarami umożliwiającymi poznanie istoty tych wzmacniaczy. W ciągu kilkudziesięciu lat rozwoju technologii półprzewodnikowej, konstrukcje akustycznych wzmacniaczy przeszły istotną ewolucję od niedoskonałych rozwiązań dyskretnych, do bardzo nowoczesnych, niezawodnych rozwiązań opartych na monolitycznych układach scalonych. We wzmacniaczach najwyższej klasy stosuje się szybkie tranzystory polowe MOSFET, a ostatnio także tranzystory IGBT, będące jakby skrzyżowaniem tranzystorów MOSFET z tranzystorami bipolarnymi. Dotychczas wzmacniacze impulsowe były tylko teoretyczną ciekawostką, ponieważ brakowało tanich i dobrych elementów przełączających, realizujących stopień końcowy, natomiast dziś już powszechnie dostępne są szybkie tranzystory MOSFET oraz IGBT. Idea akustycznego wzmacniacza klasy D polega na zastosowaniu bloku modulatora (przetwornika), który zamienia sygnał analogowy na przebieg impulsowy. Wzmacniacz klasy D jest więc przetwornikiem (chwilowej wartości) napięcia na współczynnik wypełnienia impulsów o ponad akustycznej częstotliwości. Elementy czynne pełnią jedynie rolę kluczy (otwarty, zamknięty) i dlatego zazwyczaj stopień wyjściowy zawiera wyżej wymienione tranzystory. Należy jednak zwrócić uwagę na to, że zamykanie i otwieranie kluczy odbywa się z częstotliwością kilka-bądź kilkunastokrotnie większą od najwyższej częstotliwości sygnału audio i że współczynnik wypełnienia impulsów będzie proporcjonalny do chwilowej wartości sygnału audio. Stosując we wzmacniaczu prosty filtr LC można uzyskać prawidłowy, niezniekształcony sygnał. Wzmacniacz klasy D można słusznie nazwać wzmacniaczem impulsowym ( switching power amplifier). Często spotyka się także określenie PWM amplifier, gdzie PWM to Pulse Width Modulation, czyli modulacja szerokości impulsu. Znacznie częściej stosowane ze względów reklamowych jest określenie wzmacniacz cyfrowy (digital amplifier). Słowo cyfrowy kojarzy się z wysoką jakością, tymczasem wzmacniacze klasy D wcale nie wyróżniają się dobrą jakością, zadowalającą każdego audiofila. Ich najważniejszą zaletą jest jednak wysoka sprawność energetyczna (teoretyczna sprawność bliska 100%), przez co możliwa jest daleko posunięta miniaturyzacja (małe radiatory), a bateryjne wzmacniacze kasy D pozwalają przedłużyć żywotność baterii nawet trzykrotnie. O ile sprawność jest rzeczywiście imponująca, o tyle zniekształcenia nieliniowe i intermodulacyjne są rzędu 1%, co w urządzeniach PWT 2004, Poznań 9-10 grudnia

2 wyższej klasy (Hi-End) jest nie do przyjęcia. Jak wykazano w [1] wielkość zniekształceń w klasie D zależy od sposobu realizacji sprzężenia zwrotnego. W dolnej części pasma akustycznego nie ma problemu z realizacją wzmacniacza w klasie D spełniające wymagania ( Hi- End) wymagania tego nie można zrealizować w całym paśmie akustycznym. 2. Wzmacniacz mocy klasy T Sytuacja się zmieniła kiedy to w 1998 roku amerykańska firma Tripath zaprezentowała pierwszy opracowany przez siebie wzmacniacz klasy T. Dziś ma w swej ofercie wzmacniacze o mocach do 1000W. Zestawienie wyrobów firmy Tripath przdstawiono w Tab. 1. Ze względów komercyjnych firma Tripath nie wyjawiła wszystkich szczegółów dotyczących swych wzmacniaczy. Wiadomo, że są to wzmacniacze impulsowe, podobne budową do wzmacniaczy klasy D. Stopień wyjściowy, zawierający tranzystory MOSFET jest również sterowany przebiegiem prostokątnym. W odróżnieniu od wzmacniaczy klasy D, częstotliwość impulsów nie jest stała zmienia się w granicach 100kHz 1,5MHz, wynosząc średnio kHz. Nieporównanie bardziej skomplikowane są też stopnie sterujące. Częstotliwość i wypełnienie impulsów wyjściowych są wyznaczane przez skomplikowany proces cyfrowej obróbki z wykorzystaniem zaawansowanej teorii sygnałów. Wzmacniacz klasy T jest więc w istocie procesorem sygnałowym, sterującym wyjściowymi tranzystorami MOSFET, w sposób wyznaczony przez sygnał wejściowy i sygnał sprzężenia zwrotnego według algorytmu. Podstawą jest tu opracowana przez Tripath tak zwana technologia DPP (Digital Power Processing), łącząca osiągnięcia cyfrowej obróbki sygnałów i techniki sterowników dużej mocy. Jedną z przyczyn występowania zniekształceń we wzmacniaczach klasy D jest niedoskonałość i rozrzut parametrów wyjściowych tranzystorów MOSFET. Sterownik wzmacniacza klasy T niejako uczy się parametrów współpracujących tranzystorów i potem kompensuje ich niedoskonałości, wytwarzając odpowiednie impulsy sterujące. Efektem zastosowania obróbki cyfrowej jest lepsza liniowość, mniejszy poziom szumów własnych, szerszy zakres dynamiki, bardziej płaska charakterystyka przenoszenia i opóźnienia grupowego, mniejsze zakłócenia elektromagnetyczne generowane przez układ oraz możliwość stosowania prostszych filtrów. We wzmacniaczach klasy T udaje się uzyskać współczynnik zniekształceń nieliniowych (THD+N) poniżej 0,08%, a współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych (IMD) poniżej 0,04%, co stawia wzmacniacze tej klasy na równi z bardzo dobrymi wzmacniaczami klas A i AB. Dzięki pracy impulsowej, sprawność energetyczna jest niewiele gorsza od sprawności wzmacniaczy klasy D i wynosi 75 92%. Tym samym klasa T łączy zalety klas A, AB, D [1, 2, 3]. 3.Architektura wzmacniacza klasy T Wzmacniacz klasy T jest połączeniem technologii analogowej i cyfrowej, ponieważ wejście wzmacniacza monolitycznego klasy T jest analogowe dopiero po nim następują cyfrowe układy, które przetwarzają sygnał analogowy do postaci cyfrowych sygnałów impulsowych o wysokiej częstotliwości. Zastosowane sposoby przetwarzania są pochodnymi algorytmów adaptacyjnych i predykcyjnych, używanych w procesach telekomunikacyjnych. Odpowiednio przetworzony sygnał impulsowy steruje tranzystorowym stopniem wyjściowym, za którym znajduje się filtr dolnoprzepustowy odzyskujący sygnał akustyczny z impulsowego przebiegu o zmiennej częstotliwości kluczowania. Na wejściu wzmacniacza klasy T znajduje się analogowy stopień buforujący, następnie sygnał wejściowy jest poddawany procesowi przetwarzania za pomocą układów mieszczących się w bloku objętym wspólną nazwą DPP. Blok DPP składa się z procesora adaptacyjnego dopasowywania sygnału i układu przetwarzania predykcyjnego. Oprócz wymienionych podukładów wzmacniacz zawiera obwody zabezpieczeń termicznych, zabezpieczeń przeciwzwarciowych oraz stopnie wyjściowe, PWT 2004, Poznań 9-10 grudnia

3 Wzmacniacze zintegrowane Sterowniki Chipset Produkt TA2024B TA2020 TA2021B TA2022 TA2041 TA3020 TA0105 TK2019 TK2050 TK2051 TK2070 TK2150 TK2350 Moc wyjściowa[w] 2 x 15 2 x 10 2 x 20 2 x 10 2 x 25 2 x 15 2 x x 90 2 x 80 4 x 50 4 x 30 2 x x x 150 2x 500(12,5Ω) 2 x x 20 2 x 15 2 x 11 2 x 60(8Ω) 2 x 50(8Ω) 2 x 30(8Ω) 2 x 60(8Ω) 2 x 50(8Ω) 2 x 30(8Ω) 2 x 70 2 x 55 2 x 45 2 x 200(6Ω) 2 x 155(6Ω) 2 x 100(6Ω) 2 x x x 150 Napięcie zasilania [V] 12,0 12,0 13,5 13,5 14,6 14,6 +/-31 +/-31 +/-31 20,0 20,0 +/-120 +/-85 THD+N [%] 0 0,045 5,00 5,0 0,10 0,02 0,10 0,10 1,0 3,00 0,01 3,00 0,01 0,02 0,02 Sprawność [%] Zakres zasilania [V] Obudowa Zastosowanie 88 8,5 13,2 32-pin PSOP -multimedia - TV, DVD 88 8,5 14,6 32-pin SSIP -multimedia - TV, DVD 88 8,5 14,6 36-pin PSOP -multimedia - TV, DVD 92 +/-12,0 - +/-36,0 32-pin SSIP 85 9,5 13,2 32-pin SSIP 95 +/-15,0 - +/-65,0 48-pin DIP -DVD -TV -małe syst.nagł. nagł,motoryzacj. -DVD -multimedia -wzm.dużej mocy, 85 +/-30 +/- 185,0 92 8,0 25, , ,0 38-pin module 8-pin SOIC 36-pin PSOP 36-pin PSOP -Audio wzm. -małe syst.nagł, -małe syst.nagł, 92 8,0 25,0 8-pin SOIC / /- 60,0 +/ /- 65,0 64-pin LQFP 64-pin LQFP -wzm.dużej mocy, A/V odb. -wzm.dużej mocy,a/v odb. PWT 2004, Poznań 9-10 grudnia

4 umożliwiające wysterowanie tranzystorami mocy MOSFET. Rys.1.Przykład struktury wewnętrznej wzmacniacz klasy T[10] Produkty Firny Tripath przedstawiono w Tab.1. A przykład [4,5,7] RL = 8Ohm zintegrowano sterownik z końcówkami mocy. Znacznie upraszcza to jej zastosowanie obniża koszt wykonania wzmacniacza Bardzo niskie straty mocy pozwalają za zbudowanie wzmacniacza mieszczącego w jednej obudowie wyżej wymienione elementy RL = 8Ohm Sprawność [%] THD [%] Moc wyjściowa [W] f = 1kHz THD < 2% Moc wyjściowa [W] f = 1kHz Rys.3. Charakterystyka współczynnika zawartości harmonicznych w funkcji mocy wyjściowej TA2020 [12]. Końcówka mocy zastosowana jest pracy jest jednym z pierwszych opracowań tej firmy, w której Rys.2 Charakterystyka zawartości harmonicznych w funkcji mocy wyjściowej dla TA2020 Układ wyposażono w wewnętrzne mechanizmy zabezpieczające przed zbyt wysokim lub zbyt niskim napięciem zasilającym układ automatycznego PWT 2004, Poznań 9-10 grudnia

5 wyciszania sygnału podczas włączenia i wyłączania wzmacniacze (eliminuje stuki w głośnikach). 11 0dB 10 1,5 1,4 1,3 Pwy = 4W 9 1,2 8-3dB Ku [V/V] B = 10Hz - 37kHz THD [%] 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 8Ohm 4Ohmy k 10k 100k Częstotliwość [Hz] Rysd.5. Charakterystyka wzmocnienia napięciowego k 10k Częstotliwość [Hz] Ryr.4. Charakterystyka współczynnika zawartości harmonicznych w funkcji częstotliwości dla TA2020 w funkcji częstotliwości dla TA dB THD < 10% Pwy [W] 3-3dB 2 RL = 8Ohm THD < 2% Częstotliwość impulsów [khz] k 10k Częstotliwość [Hz] Rys. 6. Charakterystyka mocy wejściowej w funkcji częstotliwości dla TA2020. Sprawność energetyczna wzmacniacza TA2020 jest nieco gorsza od klasycznych wzmacniaczy klasy D Moc wyjściowa [W] Rys.7. Charakterystyka częstotliwości sygnałów impulsowych w funkcji mocy wyjściowej dla TA2020 Jak pokazano na Rys.3 przy obciążeniu 8 Ohm wynosi 80%, a przy 4Ohm spada do 70%.[6,8[] PWT 2004, Poznań 9-10 grudnia

6 Maksymalna moc wzmacniacza (THD=10%) przy obciążeniu 4Ώ wynosi 13,5W na kanał, natomiast przy obciążeniu równym 8Ώ moc nie przekracza 9W na kanał (rys.2). W oryginalnej aplikacji wzmacniacza TA 2020 zastosowano diody Schottky ego typu MBRS130,naromiasr w modelu diody S40C. [9,11]. Z charakterystyki współczynnika zawartości harmonicznych w funkcji częstotliwości (rys.2) wynika, że wzmacniacz TA 2020 osiąga największą wartość THD przy częstotliwości 10Hz wynosząc przy 4Ώ i 8Ώ odpowiednio 1,35% oraz 1,15%. W zakresie częstotliwości mieszczących się w granicach 300Hz 15kHz uzyskujemy współczynnik zawartości harmonicznych nieprzekraczający wartości 1%(Rys.4) TA 2020 jest pełno-pasmowym wzmacniaczem akustycznym, którego trzy-decybelowe pasmo przenoszenia dla obciążenia 4Ώ wynosi 10Hz 37kHz (rys5).charakterystykę mocy wejściowej od częstotliwości przestawiono na Rys.6. Minimalne napięcie, jakim można zasilić wzmacniacz wynosi 7,4V, a moc przy tym napięciu wynosi 1W dla 4Ώ oraz 2W dla 8Ώ. Poniżej minimalnego napięcia zasilania wzmacniacz automatycznie się wyłącza, zabezpieczając tym samym źródło zasilania np. akumulator przed całkowitym rozładowaniem. Należy podkreślić, że napięcie zasilające nie może przekroczyć wartości 14,4V. Przy maksymalnym obciążeniu (10W/kanał) i napięciu 14,4V wzmacniacz ulegnie zniszczeniu, co stwierdzono doświadczalnie. Jak wiadomo częstotliwość sygnałów impulsowych ( sterujących stopniem końcowym) we wzmacniaczu klasy T zmienia się w szerokich granicach. We wzmacniaczu TA 2020 zmienia się ona w zakresie od kHz. Zostało to zilustrowane na rys7. Zwiększenie mocy wyjściowej powoduje zmniejszenie częstotliwości sygnału impulsowego, ponad akustycznego. Częstotliwość ta zmienia się także pod wpływem zmian temperaturowych Oraz wzmacniacza TA 2020 pracującego w klasie D Na podstawie dokonanych pomiarów można jednoznacznie stwierdzić, że cechuje bardzo duża sprawność większa niż w kasie T. Widać również, że we wzmacniaczu klasy T współczynnik zawartości harmonicznych jest znacznie mniejszy niż w klasie D. Wzmacniacz klasy T charakteryzuje się bardzo dużą liniowością charakterystyki przenoszenia, co również zostało zilustrowane na wykresach zamieszczonych w pracy. Wzmacniacz klasy T wysyła mniejsze zakłócenia elektromagnetyczne oraz posiada mniejszy poziom szumów własnych. Największą wspólna zaletą wzmacniaczy pracujących w klasie D oraz T jest duża sprawność energetyczna, małe gabaryty oraz prostota budowy. Literatura: [1] T. Hanzlik: Elektroakustyczne wzmacniacze mocy o wysokiej wierności odtwarzania z impulsową pracą elementów aktywnych. Wrocław 2003 (rozprawa doktorska) [1] Aplication Note AN9, Designing with switching amplifiers for performance and reliability, March 1999, Tripath, Santa Clara, USA. 2] Aplication Note AN2, Tripath Class T and Digital Amplifiers, April 1999, Tripath, Santa Clara, USA. [3] Układy Audio Elektronika Plus -wydanie specjalne, styczeń [4] Zetex: ZXCD1000, High Fidelity Class D Audio Amplifiers Solutions, March [6] Technical Information- TA3020: Class-T Digital Audio Amplifier Reference Board using Digital Power Processing (DPP) Technology Evaluation Board, May 2001, Tripath, Santa Clara, USA. [7] Technical Information- TA3020: Stereo 300W (4 Ώ) Class T Digital Audio Amplifier Driver Using Digital Processing (DPP) Technology September 2003, Tripath, Santa Clara, USA. [8] Technical Information TK2350: Stereo 300W (4Ώ) Class -T Digital Audio Amplifier DriverUsing Digital Power Processing Technology September 2003, Tripath, Santa Clara, USA. [9] Technical Information TA2022: Stereo 90W (4Ώ) Class T Digital Audio Amplifier Driver Using DPP Technology February 2004, Tripath, Santa Clara, USA. [10] Technical Information-AN1: Class-T Digital Audio Amplifier Technology, April 1999, Tripath, Santa Clara, USA. [11] Technical Information-TA2020: Class-T Digital Audio Amplifier Technology, September 2000, Tripath, Santa Clara, USA [12]Matuszny Marek Wzmacniacz mocy klasy T. Praca dyplomowa inżynierska PWT 2004, Poznań 9-10 grudnia