클래스 D 오디오 앰프 : 무엇, 왜, 어떻게

1958 년에 처음 제안 된 클래스 D 앰프는 최근 몇 년 동안 점점 인기를 얻고 있습니다. 클래스 D 앰프 란 무엇입니까? 그들은 다른 종류의 앰프와 어떻게 비교됩니까? 클래스 D가 오디오에 관심이있는 이유는 무엇입니까? "좋은"오디오 클래스 D 앰프를 만드는 데 필요한 것은 무엇입니까? ADI 클래스 D 앰프 제품의 기능은 무엇입니까? 다음 페이지 에서이 모든 질문에 대한 답을 찾으십시오.

오디오 앰프 배경

오디오 앰프의 목표는 사운드 생산 출력 요소에서 입력 오디오 신호를 재현하는 것입니다. 오디오 주파수는 약 20Hz ~ 20kHz이므로 앰프는이 범위에 비해 우수한 주파수 응답을 가져야합니다 (예 : 대역 제한 스피커를 구동 할 때는 적습니다.우퍼또는 a트위터). 전력 기능은 헤드폰의 밀리 와트, TV 또는 PC 오디오의 몇 와트, "미니"홈 스테레오 및 자동차 오디오, 수백 와트에 이르기까지 더 강력한 가정 및 상업용 사운드 시스템을 통해 극장 또는 오디오리움을 사운드로 채울 수있는 응용 프로그램에 따라 광범위하게 다릅니다.

오디오 증폭기의 간단한 아날로그 구현은 선형 모드에서 트랜지스터를 사용하여 입력 전압의 스케일 된 사본 인 출력 전압을 만듭니다. 순방향 전압 게인은 일반적으로 높습니다 (최소 40dB). 순방향 게인이 피드백 루프의 일부인 경우 전체루프 게인또한 높을 것입니다. 높은 루프 게인은 전방 경로에서의 비선형 성으로 인한 성능 억제 왜곡을 향상시키고 PSR (Power-Supply Rejection)을 증가시켜 전원 공급 장치 노이즈를 줄이기 때문에 피드백이 종종 사용됩니다.

클래스 D 앰프 장점

기존의 트랜지스터 증폭기에서출력 단계순간 연속 출력 전류를 공급하는 트랜지스터가 포함되어 있습니다. 오디오 시스템에 대한 가능한 많은 구현에는 클래스 A, AB 및 B가 포함됩니다.클래스 d디자인, 출력 단계 전력 소실은 가장 효율적인 것도 큽니다.선의출력 단계. 이 차이는 더 낮은 전력 소산이 열이 적고 회로 보드 공간과 비용을 절약하며 휴대용 시스템의 배터리 수명을 연장하기 때문에 클래스 D는 많은 응용 분야에서 중요한 이점을 제공합니다.

선형 증폭기, 클래스 D 앰프 및 전력 소실

선형 증폭기 출력 단계는 스피커에 직접 연결됩니다 (경우에는 커패시터를 통해). 출력 단계에서 바이폴라 정션 트랜지스터 (BJT)가 사용되는 경우 일반적으로 큰 수집기 이미 터 전압으로 선형 모드에서 작동합니다. 출력 단계는도 1과 같이 MOS 트랜지스터로 구현 될 수있다.

그림 1. CMOS 선형 출력 단계.

생성 프로세스이기 때문에 모든 선형 출력 단계에서 전원이 소실됩니다.V_밖으로 불가피하게 0이 아닌 원인이됩니다I_DS 그리고V_DS 하나 이상의 출력 트랜지스터에서. 전력 소산의 양은 출력 트랜지스터의 편향에 사용되는 방법에 크게 의존합니다.

그만큼클래스 A토폴로지는 트랜지스터 중 하나를 DC 전류 소스로 사용하여 스피커가 요구하는 최대 오디오 전류를 공급할 수 있습니다. 클래스 A 출력 단계에서는 우수한 음질이 가능하지만 큰 DC 바이어스 전류가 일반적으로 출력 단계에서 흐르기 때문에 전력 소실이 과도합니다.트랜지스터(우리가 원하지 않는 곳),스피커(우리가 원하는 곳).

그만큼클래스 b토폴로지는 DC 바이어스 전류를 제거하고 전력이 상당히 적습니다. 출력 트랜지스터는 푸시 풀 방식으로 개별적으로 제어되므로 MH 장치는 스피커에 양의 전류를 공급하고 ML는 음의 전류를 가라 앉히도록합니다. 이는 트랜지스터를 통한 신호 전류 만 사용하여 출력 단계 전력 소실을 줄입니다. 그러나 클래스 B 회로는 비선형 동작으로 인해 음질이 열등합니다 (크로스 오버 왜곡) 출력 전류가 0을 통과하고 트랜지스터가 ON 및 OFF 조건 사이에서 변경되는 경우.

클래스 AB클래스 A와 B의 하이브리드 타협은 일부 DC 바이어스 전류를 사용하지만 순수한 클래스 A 디자인보다 훨씬 적습니다. 작은 DC 바이어스 전류는 크로스 오버 왜곡을 방지하기에 충분하여 음질이 우수합니다. 전력 소실은 클래스 A와 클래스 B 한계 사이의 클래스 B에 더 가깝지만 클래스 B 회로와 유사한 일부 컨트롤은 클래스 AB 회로가 큰 출력 전류를 공급하거나 가라 앉히도록 허용하기 위해 필요합니다.

불행히도, 잘 설계된 클래스 AB 앰프조차도 중간 크레인지 출력 전압이 일반적으로 양수 또는 음의 공급 레일과는 거리가 멀기 때문에 상당한 전력 소산을 가지고 있습니다. 대형 드레인 소스 전압 감소는 크게 생성됩니다I_DS × V_DS순간 전력 소산.

다른 토폴로지 (그림 2) 덕분에클래스 d앰프는 위의 것보다 훨씬 적은 전력을 소산합니다. 출력 단계는 전압 펄스 트레인을 생산하기 위해 양수 및 음수 전원 공급 장치 사이를 전환합니다. 이 파형은 출력 트랜지스터가 전환을하지 않을 때 전류가 0이고 낮기 때문에 전력 소산을 위해 양성입니다.V_DS 그들이 전류를 수행 할 때, 따라서 더 작게 제공합니다I_DS × V_DS.

그림 2. 클래스 D 오픈 루프 증폭기 블록 다이어그램.

대부분의 오디오 신호는 펄스 트레인이 아니므로 오디오 입력을 펄스로 변환하려면 변조기가 포함되어야합니다. 펄스의 주파수 함량은 원하는 오디오 신호와 변조 프로세스와 관련된 상당한 고주파 에너지를 모두 포함합니다. 저역 통과 필터는 종종 출력 스테이지와 스피커 사이에 삽입되어 전자기 간섭 (EMI)을 최소화하고 스피커를 너무 높은 주파수 에너지로 운전하지 않도록합니다. 스위칭 출력 스테이지의 전력-발화 이점을 유지하려면 필터 (그림 3)가 무손실 (또는 거의 그렇게)이어야합니다. 필터는 일반적으로 커패시터와 인덕터를 사용하며 의도적으로 소산 한 요소는 스피커입니다.

그림 3. 차동 스위칭 출력 단계 및 LC 저역 통과 필터.

그림 4는 이상적인 출력 단계 전력 소실을 비교합니다 (P_diss) AD1994 클래스 D 앰프에 대한 측정 된 소산을 갖는 클래스 A 및 클래스 B 앰프의 경우, 스피커에 전달 된 전력에 대해 플롯 팅 ()P_짐), 오디오 주파수 사인파 신호가 주어졌습니다. 전력 번호는 전력 수준으로 정규화되며P_짐맥스, 사인이 10% 총 고조파 왜곡 (THD)을 유발할만큼 충분히 잘린다. 수직선은 다음을 나타냅니다P_짐클리핑이 시작됩니다.

그림 4. 클래스 A, 클래스 B 및 클래스 D 출력 단계에서의 전력 소실.

전력 소산의 유의미한 차이는 광범위한 하중, 특히 높은 및 중간 값에서 볼 수 있습니다. 클리핑이 시작될 때 클래스 D 출력 단계에서의 소산은 클래스 B보다 약 2.5 배 낮고 클래스 A보다 27 배 낮습니다. 클래스 A 출력 단계에서 더 많은 전력이 소비됩니다.

출력 단계 전력 효율성,Eff,,

클리핑이 시작될 때Eff클래스 A 앰프의 경우=25%, 클래스 B 앰프의 경우 78.5%, 클래스 D 앰프의 경우 90% (그림 5 참조). 클래스 A와 클래스 B에 대한 이러한 가장 좋은 값은 교과서에서 종종 인용되는 값입니다.

그림 5. 클래스 A, 클래스 B 및 클래스 D 출력 단계의 전력 효율.

전력 소실과 효율의 차이는 중간 정도의 전력 수준에서 확대됩니다. 시끄러운 음악의 장기 평균 레벨은 순간 피크 레벨보다 훨씬 낮기 때문에 (음악 유형에 따라 5 ~ 20의 요소에 따라) 오디오에 중요합니다.P_짐맥스. 따라서 오디오 증폭기의 경우 [P_짐 = 0.1 × P_짐맥스]는 평가할 합리적인 평균 전력 수준입니다.P_diss. 이 수준에서 클래스 D 출력 단계 소비는 클래스 B보다 9 배 낮고 클래스 A보다 107 배 작습니다.

10- w가있는 오디오 앰프의 경우P_짐맥스, 평균P_짐1 W는 현실적인 청취 수준으로 간주 될 수 있습니다. 이 조건 하에서, 클래스 D 출력 단계 내부에서 282 MW가 소산되고 클래스 B의 경우 2.53W 및30.2 W클래스 A의 경우,이 경우 클래스 D 효율은 더 높은 전력에서 90%에서 78%로 감소합니다. 그러나 78%조차도 클래스 B 및 클래스 A 효율성 -28% 및 3%보다 훨씬 낫습니다.

이러한 차이는 시스템 설계에 중요한 결과를 초래합니다. 1W 이상의 전력 레벨의 경우, 선형 출력 단계의 과도한 소산은 배열 싱크로 큰 금속 슬래브를 사용하거나 팬을 증폭기 위로 날려 버리기 위해 용납 할 수없는 가열을 피하기 위해 상당한 냉각 조치가 필요합니다. 앰프가 통합 회로로 구현되면 열 전달을 용이하게하기 위해 부피가 크고 비싼 열 향상 패키지가 필요할 수 있습니다. 이러한 고려 사항은 공간이 프리미엄 또는 자동차 오디오에있는 플랫 스크린 TV와 같은 소비자 제품에서 부족하며, 여기서 추세는 고정 된 공간으로 더 높은 채널 수를 크램링하는 추세입니다.

1W 미만의 전력 레벨의 경우 낭비 된 전력은 열 생성보다 더 어려울 수 있습니다. 배터리에서 구동되는 경우 선형 출력 단계는 클래스 D 설계보다 배터리 충전을 더 빨리 배출합니다. 위의 예에서, 클래스 D 출력 단계는 클래스 B보다 2.8 배 적은 공급 전류를 소비하고 클래스 A- 레슬링보다 23.6 배 낮으며 휴대폰, PDA 및 MP3 플레이어와 같은 제품에 사용되는 배터리 수명에서 큰 차이가 있습니다.

단순화를 위해, 지금까지 분석은 앰프에만 초점을 맞추고 있습니다.산출단계. 그러나, 증폭기 시스템의 모든 전력 소스 소스가 고려 될 때, 선형 증폭기는 낮은 출력 전원 수준에서 클래스 D 앰프와 더 유리하게 비교할 수있다. 그 이유는 스위칭 파형을 생성하고 변조하는 데 필요한 전력이 낮은 수준에서 중요 할 수 있기 때문입니다. 따라서, 잘 디자인 된 저지전에서 중단 된 전력 클래스 AB 앰프의 시스템 전체 정지 소산은 클래스 D 앰프와 경쟁력을 가질 수 있습니다. 그러나 클래스 D 전력 소실은 의심 할 여지없이 더 높은 출력 전력 범위에 대해 우수합니다.

클래스 D 앰프 용어 및 차등 대 단일 엔드 버전

그림 3은 클래스 D 앰프에서 출력 트랜지스터 및 LC 필터의 차동 구현을 보여줍니다. 이것H 브리지두 가지가 있습니다하프 브리지2 개의 인덕터, 2 개의 커패시터 및 스피커를 포함하는 필터에 반대 극성의 펄스를 공급하는 스위칭 회로. 각 하프 브리지에는 양의 전원 공급 장치에 연결된 2 개의 출력 트랜지스터 (MH)와 음의 공급에 연결된 저 사이드 트랜지스터 (ML)가 포함됩니다. 여기의 다이어그램은 높은 측면을 보여줍니다pMOS 트랜지스터. 하이 사이드nMOS 트랜지스터는 종종 크기와 커패시턴스를 줄이는 데 사용되지만이를 제어하려면 특수 게이트 드라이브 기술이 필요합니다 (추가 읽기 1).

전체 H- 브리지 회로는 일반적으로 단일 공급에서 실행됩니다 (V_DD), 부정적인 공급 터미널에 사용 된 접지 (V_{봄 여름 시즌}). 주어진 v_DD그리고 v_{봄 여름 시즌}, 브리지의 차동 특성은 출력 신호의 두 배와 단일 엔드 구현의 출력 전력의 4 배를 전달할 수 있음을 의미합니다. 하프 브리지 회로는 바이폴라 전원 공급 장치 또는 단일 공급 장치에서 전원을 공급할 수 있지만 단일 공급 버전은 잠재적으로 유해한 DC 바이어스 전압 V를 부과합니다._DD차단 커패시터가 추가되지 않는 한, 스피커를 가로 질러 \/2.

하프 브리지 회로의 전원 공급 전압 버스는 LC 필터의 큰 인덕터 전류에 의해 공칭 값을 넘어 "펌핑"될 수 있습니다. 펌핑 과도의 DV\/DT는 V 사이에 큰 디커플링 커패시터를 추가하여 제한 될 수 있습니다._DD그리고 v_{봄 여름 시즌}. 전체 브리지 회로는 버스 펌핑으로 어려움을 겪지 않습니다. 반 브리즈 중 하나로 흐르는 인덕터 전류가 다른 하나에서 흘러 나와 전원 공급 장치를 최소로 방해하는 로컬 전류 루프를 생성하기 때문입니다.

오디오 클래스 D 앰프 설계의 요소

낮은 전력 소산은 오디오 애플리케이션에 클래스 D를 사용하려는 강력한 동기를 제공하지만 디자이너에게는 중요한 과제가 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

출력 트랜지스터 크기 선택

출력 단계 보호

음질

변조 기술

에미

LC 필터 설계

시스템 비용

출력 트랜지스터 크기 선택

출력 트랜지스터 크기는 광범위한 신호 조건에 걸쳐 전력 소실을 최적화하도록 선택됩니다. 그것을 확인합니다V_DS크게 수행 할 때 작게 유지됩니다I_DS 저항이 필요합니다 (R_에출력 트랜지스터의)는 작습니다 (일반적으로 {{{{{0}}. 1 옴 ~ 0.2 옴). 그러나 이것은 현저한 게이트 커패시턴스를 갖는 큰 트랜지스터가 필요합니다 (C_G). 커패시턴스를 전환하는 게이트 드라이브 회로는 전력을 소비합니다.CV²f, 어디C 커패시턴스입니다.V 충전 중 전압 변화입니다f 스위칭 주파수입니다. 커패시턴스 또는 주파수가 너무 높으면이 "스위칭 손실"이 과도하여 실용적인 상한이 존재합니다. 따라서 트랜지스터 크기의 선택은 최소화 사이의 절충입니다.I_DS × V_DS 전도 중 손실 대 최소화전환사상자 수. 전도성 손실은 높은 출력 전력 수준에서 전력 소산 및 효율을 지배하는 반면, 소산은 낮은 출력 수준에서 손실을 전환함으로써 지배적입니다. 전력 트랜지스터 제조업체는 최소화를 시도합니다R_에 × C_G 스위칭 응용 분야에서 전반적인 전력 소산을 줄이고 스위칭 주파수 선택에 유연성을 제공하는 장치의 제품.

출력 단계 보호

출력 단계는 여러 가지 잠재적 위험 조건으로부터 보호되어야합니다.

과열: 클래스 D의 출력 단계 전력 소실은 선형 증폭기보다 낮지 만, 앰프가 오랫동안 매우 높은 전력을 전달 해야하는 경우 출력 트랜지스터를 위험에 빠뜨리는 레벨에 도달 할 수 있습니다. 위험한 과열로부터 보호하려면 온도 모니터링 제어 회로가 필요합니다. 간단한 보호 체계에서 온 칩 센서로 측정 한 온도가열 분쇄안전 임계 값, 식히기 전까지는 유지됩니다. 센서는 온도가 셧다운 임계 값을 초과했는지 여부에 대한 간단한 이진 표시를 제외하고는 추가 온도 정보를 제공 할 수 있습니다. 온도를 측정함으로써, 제어 회로는 볼륨 레벨을 점차적으로 감소시켜 전력 소산을 감소시키고 온도를 열 분쇄 이벤트 동안 지각 가능한 침묵 기간을 강요하는 한계 내에서 온도를 잘 유지할 수있다.

출력 트랜지스터의 과도한 전류 흐름: 낮음~에출력 스테이지와 스피커 터미널이 올바르게 연결된 경우 출력 트랜지스터의 저항은 문제가되지 않지만 이러한 노드가 우연히 단락하거나 양수 또는 음의 전원 공급 장치에 실수로 단락되는 경우 거대한 전류가 발생할 수 있습니다. 확인되지 않은 경우 해당 전류는 트랜지스터 또는 주변 회로를 손상시킬 수 있습니다. 결과적으로, 전류 감지 출력 전환기 보호 회로가 필요하다. 간단한 보호 체계에서 출력 전류가 안전 임계 값을 초과하면 출력 단계가 차단됩니다. 보다 정교한 체계에서, 전류 센서 출력은 앰프를 추구하여 출력 전류를 최대 안전 레벨로 제한하는 동시에 앰프를 종료하지 않고 연속적으로 실행할 수 있도록합니다. 이 제도에서, 제한 시도가 효과가없는 것으로 판명되면 종료는 최후의 수단으로 강제 될 수 있습니다. 효과적인 전류 제한자는 또한 스피커 공명으로 인해 순간적으로 큰 과도 전류가있을 때 앰프를 안전하게 실행할 수 있습니다.

저전압: 대부분의 스위치 출력 단계 회로는 양의 전원 공급 전압이 충분히 높은 경우에만 잘 작동합니다. 문제 결과가있는 경우 결과저전압공급품이 너무 낮은 조건. 이 문제는 일반적으로 An에 의해 처리됩니다저전압 잠금출력 단계가 전원 공급 전압이 저전압 잠금 임계 값 이상인 경우에만 작동 할 수있는 회로.

출력 트랜지스터 턴온 타이밍: MH 및 ML 출력 단계 트랜지스터 (그림 6)는 매우 낮습니다.~에저항. 따라서 MH와 ML이 동시에있는 상황을 피하는 것이 중요합니다._DDv_{봄 여름 시즌}트랜지스터와 큰 것을 통해촬영현재의. 기껏해야 트랜지스터는 가열되어 전력을 낭비합니다. 최악의 경우 트랜지스터가 손상 될 수 있습니다.손상되기 전에트랜지스터의 제어는 두 트랜지스터를 켜기 전에 두 트랜지스터를 끄므로 싹 제조 조건을 방지합니다. 두 트랜지스터가 꺼진 시간 간격이 호출됩니다.무시 무시한 시간또는죽은 시간.

그림 6. 출력 단계 트랜지스터의 손상 전 스위칭.

음질

클래스 D 앰프에서 좋은 전반적인 음질을 달성하기 위해 몇 가지 문제를 해결해야합니다.

클릭 및 팝증폭기가 켜지거나 끄는 경우 발생하는 것은 매우 성가신 일 수 있습니다. 그러나 불행히도, 증폭기가 음소거되거나 무의미 해지면 변조기 상태, 출력 단계 타이밍 및 LC 필터 상태에주의를 기울이지 않는 한 클래스 D 앰프에 쉽게 도입 할 수 있습니다.

신호 대 잡음비 (SNR):앰프 노이즈 플로어에서 가청 히스를 피하기 위해 SNR은 일반적으로 휴대용 응용 분야의 경우 저전력 증폭기에서 90dB를 초과해야합니다. 이는 다양한 앰프 구현을 위해 달성 할 수 있지만, 전반적인 SNR을 보장하기 위해 앰프 설계 중에 개별 노이즈 소스를 추적해야합니다.

왜곡 메커니즘 :여기에는 변조 기술 또는 변조기 구현에서의 비선형 성과 촬영 중과의 전류 문제를 해결하기 위해 출력 단계에서 사용 된 죽은 시간이 포함됩니다.

오디오 신호 레벨에 대한 정보는 일반적으로 클래스 D 변조기 출력 펄스의 너비로 인코딩됩니다. 출력 스테이지 촬영 전류를 방지하기 위해 죽은 시간을 추가하면 비선형 타이밍 오류가 발생하여 이상적인 펄스 폭과 관련하여 타이밍 오류에 비례하여 스피커의 왜곡이 발생합니다. 촬영을 피하는 가장 짧은 죽은 시간은 종종 왜곡을 최소화하는 데 가장 좋습니다. 자세한 설계 방법은 추가 읽기 2를 참조하여 출력 스위치 스위칭 스위치의 왜곡 성능을 최적화하십시오.

다른 왜곡 소스로는 출력 펄스의 상승 및 하락 시간 불일치, 출력 트랜지스터 게이트 드라이브 회로의 타이밍 특성의 불일치 및 LC 저역 통과 필터의 구성 요소의 비선형 성의 불일치가 있습니다.

전력 공급 거부 (PSR) :도 2의 회로에서, 전력 공급 노이즈는 거부가 거의없는 스피커에 거의 직접 커플을 커플한다. 이는 출력 단계 트랜지스터가 매우 낮은 저항을 통해 전원 공급 장치를 저역 통과 필터에 연결하기 때문에 발생합니다. 필터는 고주파 노이즈를 거부하지만 노이즈를 포함한 모든 오디오 주파수를 통과하도록 설계되었습니다. 단일 끝 및 차동 스위칭 출력 단계 회로에서 전력 공급 노이즈의 영향에 대한 좋은 설명은 추가 읽기 3을 참조하십시오.

왜곡이나 전력 공급 문제가 해결되지 않으면 1 0 db보다 PSR을 더 잘 달성하기가 어렵거나 총 고조파 왜곡 (THD)이 0.1%보다 우수합니다. 더 나쁜 것은, THD는 나쁜 소리를내는 고차 종류 인 경향이 있습니다.

다행히도 이러한 문제에 대한 좋은 해결책이 있습니다. 높은 루프 게인으로 피드백을 사용하여 (많은 선형 앰프 설계에서 수행) 많은 도움이됩니다. LC 필터 입력의 피드백은 PSR을 크게 향상시키고 모든 비 LC 필터 왜곡 메커니즘을 약화시킵니다. LC 필터 비선형 성은 피드백 루프에 스피커를 포함시킴으로써 감쇠 할 수 있습니다. PSR> 6 0 DB 및 THD <0.01%의 오디오 애호가 음질은 잘 설계된 폐쇄 루프 클래스 D 앰프에서 달성 할 수 있습니다.

그러나 루프 안정성이 해결되어야하기 때문에 피드백은 앰프 설계를 복잡하게합니다 (고차 디자인에 대한 사소한 고려 사항). 또한 펄스 타이밍 오류에 대한 중요한 정보를 캡처하려면 연속 시간 아날로그 피드백이 필요하므로 제어 루프에는 피드백 신호를 처리하기 위해 아날로그 회로를 포함해야합니다. 통합 회로 앰프 구현에서는 다이 비용에 추가 될 수 있습니다.

IC 비용을 최소화하기 위해 일부 공급 업체는 아날로그 회로 컨텐츠를 최소화하거나 제거하는 것을 선호합니다. 일부 제품은 디지털 오픈 루프 변조기와 아날로그-디지털 컨버터를 사용하여 전력 공급 변동을 감지하고 추가 판독 값 3에서 제안 된대로 조절기의 동작을 조정합니다. PSR을 개선 할 수는 있지만 왜곡 문제를 해결하지는 않습니다. 다른 디지털 변조기는 예상 출력 스테이지 타이밍 오류에 대해 사전 보상금을 시도하거나 변조기 비 질식을 수정하려고합니다. 이것은 적어도 부분적으로 일부 왜곡 메커니즘을 다룰 수는 있지만 전부는 아닙니다. 이러한 종류의 오픈 루프 클래스 D 앰프에서 상당히 편안한 사운드 품질 요구 사항을 견딜 수있는 응용 프로그램은 최고의 오디오 품질에 필요한 것으로 보입니다.

변조 기술

클래스 D 변조기는 대량의 관련 연구 및 지적 재산에 의해 지원되는 여러 가지 방법으로 구현 될 수 있습니다. 이 기사는 기본 개념 만 소개합니다.

모든 클래스 D 변조 기술은 오디오 신호에 대한 정보를 펄스 스트림으로 인코딩합니다. 일반적으로 맥박너비오디오 신호의 진폭에 연결되며, 펄스의 스펙트럼에는 원하는 오디오 신호와 바람직하지 않은 (불가피한) 고주파 콘텐츠가 포함됩니다. 시간 도메인 파형의 총 전력은 유사하기 때문에 모든 체계의 총 통합 고주파 전력은 거의 동일합니다. Parseval의 정리에 의해 시간 도메인의 전력은 주파수 도메인의 전력과 동일해야합니다. 그러나 에너지의 분포는 크게 다릅니다. 일부 체계에서는 저음 바닥에 높은 에너지 톤이 있으며 다른 체계에서는 에너지가 형성되어 톤이 제거되지만 노이즈 플로어는 더 높습니다.

가장 일반적인 변조 기술은입니다펄스 폭 변조(PWM). 개념적으로 PWM은 입력 오디오 신호를 고정 된 상태에서 실행되는 삼각형 또는 램핑 파형과 비교합니다.담체빈도. 이것은 캐리어 주파수에서 펄스 스트림을 만듭니다. 캐리어의 각 기간 내에서, PWM 펄스의 듀티 비율은 오디오 신호의 진폭에 비례합니다. 그림 7의 예에서, 오디오 입력 및 삼각형 파는 둘 다 0 v 주변에 위치하므로 0 입력의 경우 출력 펄스의 듀티 비율이 5 0%입니다. 큰 양의 입력의 경우 100%에 가까우며 큰 음수 입력의 경우 0%에 가깝습니다. 오디오 진폭이 삼각형 웨이브의 오디오 진폭을 초과하는 경우전체 변조펄스 트레인이 전환을 중지하고 개별 기간 내의 듀티 비율은 0% 또는 100%입니다.

그림 7. PWM 개념 및 예.

PWM은 출력 단계에서 스위칭 손실을 제한 할만 큼 수백 킬로 헤르츠의 PWM 캐리어 주파수에서 100- db 또는 더 나은 오디오 대역 SNR을 허용하기 때문에 매력적입니다. 또한, 많은 PWM 변조기는 과부하 점까지 높은 출력 전원을 공급하는 개념에서 최대 100% 변조까지 안정적입니다. 그러나 PWM은 몇 가지 문제가 있습니다. 첫째, PWM 프로세스는 본질적으로 많은 구현에서 왜곡을 추가합니다 (추가 읽기 4). 다음으로, PWM 캐리어 주파수의 고조파는 AM 라디오 밴드 내에서 EMI를 생성합니다. 마지막으로, PWM 펄스 폭은 전체 변조 근처에서 매우 작아집니다. 이로 인해 대부분의 스위치 출력 단계 게이트 드라이버 회로에서 문제가 발생하고 제한된 드라이브 기능을 사용하면 몇 나노초의 폭으로 짧은 펄스를 재현하는 데 필요한 과도한 속도로 제대로 전환 할 수 없습니다. 결과적으로, 전체 변조는 종종 PWM 기반 앰프에서 달성 할 수 없으므로 최대 달성 가능한 출력 전력을 이론적 최대보다 적은 것으로 제한합니다.~에저항 및 스피커 임피던스.

PWM의 대안은입니다펄스 밀도 변조주어진 시간 창에서 펄스 수가 입력 오디오 신호의 평균값에 비례하는 (PDM). 개별 펄스 폭은 PWM에서와 같이 임의적 일 수 없지만 대신 변조기 클록주기의 배수로 "정량화"됩니다. 1- 비트 시그마 델타 변조는 PDM의 형태입니다.

시그마-델타의 고주파 에너지의 대부분은 PWM에 대한 잠재적 인 EMI 이점을 갖는 PWM 제공 시그마-델타 변조에서와 같이, 캐리어 주파수의 배수로 톤으로 농축 된 광범위한 주파수에 대해 분포된다. 에너지는 여전히 PDM 샘플링 클록 주파수의 이미지에 존재합니다. 그러나 3MHz ~ 6MHz의 일반적인 클럭 주파수로 이미지는 오디오 주파수 대역 외부에 있으며 LC 저역 통과 필터에 의해 강력하게 감쇠됩니다.

Sigma-Delta의 또 다른 장점은 최소 펄스 폭이 전체 변조에 접근하는 신호 조건의 경우에도 하나의 샘플링 클록주기라는 것입니다. 이를 통해 게이트 드라이버 설계를 완화하고 이론적 인 완전한 전력으로 안전한 작동을 가능하게합니다. 그럼에도 불구하고 1- 비트 시그마-델타 변조는 종종 D 앰프 (추가 판독 4)에서 자주 사용되지 않습니다. 또한, 충분한 오디오 대역 SNR을 달성하기 위해서는 최소 64 × 오버 샘플링이 필요하므로 일반적인 출력 데이터 속도는 최소 1MHz이고 전력 효율은 제한적입니다.

최근에,자기 경화추가 읽기 5의 앰프와 같은 앰프가 개발되었습니다.이 유형의 앰프에는 항상 외부 제공 클록 대신 루프의 속성이 변조기의 스위칭 주파수를 결정하는 루프의 속성이 포함되어 있습니다. 고주파 에너지는 종종 PWM보다 더 고르게 분포됩니다. 피드백 덕분에 우수한 오디오 품질이 가능하지만 루프는 자체 경영이므로 다른 스위칭 회로와 동기화하거나 디지털을 먼저 아날로그로 변환하지 않고 디지털 오디오 소스에 연결하기가 어렵습니다.

풀 브리지 회로 (그림 3)는 "3- 상태"변조를 사용하여 차동 EMI를 줄일 수 있습니다. 기존의 차동 조작을 사용하면 Half-Bridge A의 출력 극성은 Half-Bridge B의 출력 극성과 반대되어야합니다. 두 개의 미분 작동 상태 만 존재합니다. 출력 B가 낮게 출력; 그리고 B 높음으로 낮습니다. 그러나 두 개의 추가 공통 모드 상태가 존재하는데, 여기에는 두 반 브리지 출력이 동일한 극성 (높거나 낮음)입니다. 이 중 하나공통 모드상태는 차동 상태와 함께 사용하여 LC 필터에 대한 차동 입력이 양수, 0 또는 음수 일 수있는 {{0}} 상태 변조를 생성 할 수 있습니다. 0 상태는 2- 상태 체계에서와 같이 양수 및 음수 상태를 전환하는 대신 저전력 레벨을 나타내는 데 사용될 수 있습니다. 0 상태 동안 LC 필터에서는 차등 활동이 거의 발생하지 않아 실제로는 공통 모드 EMI를 증가시켜 주지만 차동 EMI를 줄입니다. 미분 혜택은 저전력 수준에서만 적용됩니다. 긍정적 상태와 부정적인 상태는 여전히 스피커에 상당한 전력을 제공하는 데 사용되어야하기 때문입니다. 3- 상태 변조 체계의 다양한 공통 모드 전압 레벨은 폐쇄 루프 증폭기에 대한 설계 과제를 나타냅니다.

길들이기 EMI

클래스 D 앰프 출력의 고주파수 구성 요소는 심각한 고려를 할 가치가 있습니다. 제대로 이해하고 관리하지 않으면 이러한 구성 요소는 많은 양의 EMI를 생성하고 다른 장비의 작동을 방해 할 수 있습니다.

두 종류의 EMI가 우려됩니다. 우주로 방사되는 신호와 스피커 및 전원 공급 전선을 통해 수행되는 신호. 클래스 D 변조 체계는 a를 결정합니다기준선수행 및 방사 된 EMI의 구성 요소의 스펙트럼. 그러나 일부 보드 수준 설계 기술은 기준선 스펙트럼에도 불구하고 클래스 D 앰프에 의해 방출 된 EMI를 줄이는 데 사용될 수 있습니다.

유용한 원칙은 관련 EMI의 강도가 루프 영역과 다른 회로와의 루프의 근접성과 관련이 있기 때문에 고주파 전류를 운반하는 루프 영역을 최소화하는 것입니다. 예를 들어, 전체 LC 필터 (스피커 배선 포함)는 가능한 한 소형을 배치하고 앰프에 가깝게 유지해야합니다. 루프 영역을 최소화하기 위해 현재 드라이브 및 리턴 경로의 흔적을 함께 유지해야합니다 (스피커 와이어의 트위스트 쌍을 사용하는 것이 도움이됩니다). 초점을 맞춘 또 다른 장소는 출력 단계 트랜지스터의 게이트 커패시턴스를 전환하는 동안 발생하는 큰 전하 과도에 있습니다. 일반적 으로이 요금은 a에서 비롯됩니다저수지커패시턴스, 두 커패시턴스를 포함하는 전류 루프를 형성합니다. 이 루프에서 과도 상태의 EMI 영향은 루프 영역을 최소화함으로써 감소 할 수 있으며, 이는 저수지 커패시턴스를 최대한 가깝게 배치하는 것을 의미합니다.

때로는 앰프의 전원 공급 장치와 함께 RF 초크를 직렬로 삽입하는 것이 도움이됩니다. 적절하게 배치하면 전원 공급 장치 와이어를 장거리로 수행하는 대신 고주파 과도 전류를 앰프 근처의 로컬 루프로 제한 할 수 있습니다.

게이트 드라이브가 아닌 시간이 매우 길면 스피커 또는 LC 필터의 유도 전류는 출력 단계 트랜지스터의 단자에서 기생 바이아스티드 다이오드를 전진 할 수 있습니다. 비 관점 시간이 끝나면 다이오드의 바이어스가 앞쪽에서 반전으로 변경됩니다. 대규모 리버스 복구 전류 스파이크는 다이오드가 완전히 꺼지기 전에 흐를 수있어 귀찮은 EMI 소스를 만듭니다. 이 문제는 비대방 시간을 매우 짧게 유지함으로써 최소화 할 수 있습니다 (오디오의 왜곡을 최소화하기 위해 권장). 역전 회복 거동이 여전히 용납 할 수없는 경우, Schottky Diodes는 전류를 돌리고 기생 다이오드가 켜지지 않도록하기 위해 트랜지스터의 기생 다이오드와 평행을 이룰 수 있습니다. 이것은 Schottky Diodes의 금속 세미 도체 접합이 본질적으로 역전 회복 효과에 면역이기 때문에 도움이됩니다.

토로이드 인덕터 코어가있는 LC 필터는 앰프 전류로 인한 길 잃은 필드 라인을 최소화 할 수 있습니다. 저렴한 방사선북차폐에 의해 코어를 줄일 수 있습니다. 비용과 EMI 성능 사이의 우수한 타협이 필요합니다. 차폐가 스피커의 인덕터 선형성과 음질을 허용 할 수 없게 만들지 않도록하십시오.

LC 필터 설계

비용 및 보드 공간을 절약하기 위해 클래스 D 앰프 용 대부분의 LC 필터는 2 차 저역 통과 설계입니다. 그림 3은 2 차 LC 필터의 차동 버전을 보여줍니다. 스피커는 회로의 고유 한 공명을 축축하게합니다. 스피커 임피던스는 때때로 단순한 저항으로 근사되지만 실제 임피던스는 더 복잡하고 상당한 반응성 구성 요소를 포함 할 수 있습니다. 필터 설계에서 최상의 결과를 얻으려면 항상 정확한 스피커 모델을 사용해야합니다.

일반적인 필터 설계 선택은 가장 낮은 대역폭을 목표로하는 것입니다.처짐가장 높은 오디오 빈도에서 필터 응답에서 최소화됩니다. 전형적인 필터는 최대 20kHz의 주파수에 대해 1dB 미만의 처진이 필요한 경우 40- kHz Butterworth 응답 (최대 평평한 패스 밴드를 달성하기 위해)을 가지고 있습니다. 표의 공칭 성분 값은 일반적인 스피커 임피던스 및 표준 L 및 C 값에 대한 대략적인 버터 워스 응답을 제공합니다.

설계에 스피커의 피드백이 포함되어 있지 않으면 스피커의 THD는 LC 필터 구성 요소의 선형성에 민감합니다.

인덕터 설계 요소 :인덕터를 설계하거나 선택하는 데 중요한 요소에는 코어의 현재 등급과 모양, 와인딩 저항이 포함됩니다.

현재 등급: 선택된 핵심은 가장 높은 예상 앰프 전류보다 현재 등급을 가져야합니다. 그 이유는 전류가 전류 등급 임계 값을 초과하고 플럭스 밀도가 너무 높아져 원치 않는 인덕턴스 감소에서 많은 인덕터 코어가 자기 적으로 포화되기 때문입니다.

인덕턴스는 코어 주위에 와이어를 감싸서 형성됩니다. 회전이 많으면 총선 길이와 관련된 저항이 중요합니다. 이 저항은 하프 브리지와 스피커 사이에 직렬로 이루어 지므로 일부 출력 전력은 그 안에 소산됩니다. 저항이 너무 높으면 두꺼운 와이어를 사용하거나 코어를 다른 재료로 변경하여 원하는 인덕턴스를 줄이기 위해 더 적은 회전의 와이어를 필요로합니다.

마지막으로, 위에서 언급 한 바와 같이 사용 된 인덕터의 형태가 EMI에 영향을 줄 수 있다는 것을 잊어서는 안됩니다.

시스템 비용

클래스 D 앰프를 사용하는 오디오 시스템의 전체 비용에서 중요한 요소는 무엇입니까? 비용을 어떻게 최소화 할 수 있습니까?

그만큼활동적인클래스 D 앰프의 구성 요소는 스위칭 출력 단계 및 변조기입니다. 이 회로는 아날로그 선형 증폭기와 거의 동일한 비용으로 구축 될 수 있습니다. 실제 절충은 시스템의 다른 구성 요소를 고려할 때 발생합니다.

클래스 D의 낮은 소산은 방열판이나 팬과 같은 냉각 장치의 비용 (및 공간)을 절약합니다. 클래스 D 통합 회로 앰프는 선형 패키지보다 작고 저렴한 패키지를 사용할 수 있습니다. 디지털 오디오 소스에서 구동되면 아날로그 선형 앰프는 오디오를 아날로그 양식으로 변환하기 위해 D\/A 변환기 (DAC)가 필요합니다. 이는 아날로그 입력 클래스 D 앰프에도 해당되지만 디지털 입력 유형은 DAC 기능을 효과적으로 통합합니다.

반면, 클래스 D의 주요 비용 단점은 LC 필터입니다. 구성 요소, 특히 인덕터-점유 보드 공간 및 비용을 추가합니다. 고출력 증폭기에서는 LC 필터 비용이 냉각 장치의 큰 절약으로 상쇄되기 때문에 전체 시스템 비용은 여전히 ​​경쟁력이 있습니다. 그러나 비용에 민감한 저전력 응용 분야에서 인덕터 비용은 번거롭게됩니다. 극단적 인 경우, 휴대 전화 용 저렴한 증폭기와 같은 경우 앰프 IC는 총 LC 필터 비용보다 저렴할 수 있습니다. 또한 금전적 비용이 무시 되더라도 LC 필터가 차지하는 보드 공간은 소규모 폼 팩터 응용 프로그램에서 문제가 될 수 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 LC 필터는 때때로 전적으로 제거되어필터가 없습니다증폭기. 저역 통과 필터링의 이점을 잃지 만 비용과 공간을 절약 할 수 있습니다. 필터가 없으면 EMI 및 고주파 전력 소실은 용납 할 수 없을 정도로 증가 할 수 있습니다. 스피커가 유도적이고 앰프에 매우 가깝게 유지되면 전류 루프 영역이 최소화되고 전력 수준이 낮아집니다. 휴대 전화와 같은 휴대용 응용 분야에서는 종종 가능하지만 홈 스테레오스와 같은 고출력 시스템에는 적합하지 않습니다.

또 다른 방법은 오디오 채널 당 필요한 LC 필터 구성 요소의 수를 최소화하는 것입니다. 이는 단일 엔드 하프 브리지 출력 단계를 사용하여 달성 할 수 있으며, 이는 차등, 풀 브리지 회로에 필요한 LS 및 CS 수의 절반이 필요합니다. 그러나 하프 브리지에 양극성 전원 공급 장치가 필요한 경우, 부정적인 공급을 생성하는 것과 관련된 비용은 다른 목적에 대해 이미 존재하지 않는 한, 앰프가 충분한 오디오 채널을 가지고 있지 않으면 부정적인 공급 비용을 상각하지 않는 한, 부정적인 공급이 금지 될 수 있습니다. 대안 적으로, 하프 브리지는 단일 공급에서 전원을 공급할 수 있지만, 이는 출력 전력을 줄이고 종종 큰 DC 차단 커패시터가 필요합니다.

아날로그 장치 클래스 D 앰프

방금 논의한 모든 디자인 과제는 다소 까다로운 프로젝트에 추가 될 수 있습니다. 디자이너의 시간을 절약하기 위해 아날로그 장치는 프로그램 가능한 이득 앰프, 변조기 및 전력 출력 단계를 통합하는 다양한 클래스 D 앰프 통합 회로를 제공합니다. 평가를 단순화하기 위해 각 증폭기 유형에 대해 데모 보드를 사용할 수있어 평가를 단순화합니다. 이러한 각 보드의 PCB 레이아웃 및 재료 청구서는 실행 가능한 참조 설계로 사용되며 고객은 주요 클래스 D 앰프 설계 문제를 해결하기 위해 "휠을 재창조"하지 않고도 작업의 비용 효율적인 오디오 시스템을 신속하게 설계 할 수 있도록 도와줍니다.

예를 들어, AD1990, AD1992 및 AD 1994- 1994-는 {7}}, {8}}, {9}}}}} W, 25-, 25-, 10-, {8}}, 10-, {7}}, {8}}, {7}}, {8}}, {7}}, {8}}, {7}}, {8}}, {7}}, 10-, {7}}, {8}}, {7}}, {8}}를 요구하는 두 개의 채널을 요구하는 중간 정도의 전원 스테레오 또는 모노 애플리케이션을 대상으로하는 듀얼 증폭기 ICS 패밀리를 고려하십시오. 다음은 이러한 ICS의 속성입니다.

AD1994 Class D 오디오 파워 앰프는 2 개의 프로그래밍 가능한 이득 증폭기, 2 개의 시그마 델타 변조기 및 2 개의 전력 출력 단계를 결합하여 홈 시어터, 자동차 및 PC 오디오 애플리케이션에서 전체 H 브리지 타이드로드를 구동합니다. 스피커 당 최대 25W의 스테레오 스피커를 구동 할 수있는 스위칭 파형 또는 90% 효율로 단일 스피커를 50 W monophonic으로 구동 할 수 있습니다. 단일 엔드 입력은 낮은 수준의 신호를 처리하기 위해 0-, 12- 및 18dB에 값을 정산 할 수있는 프로그램 가능한 이득 증폭기 (PGA)에 적용됩니다.

The device has integrated protection against output-stage hazards of overheating, overcurrent, and shoot-through current. There are minimal clicks and pops associated with muting, thanks to special timing control, soft start, and dc offset calibration. Specifications include 0.001% THD, 105-dB dynamic range, and >60dB PSR, 스위칭 출력 단계 및 최적화 된 출력 단계 게이트 드라이브의 연속적인 아날로그 피드백을 사용합니다. 1- 비트 시그마-델타 변조기는 클래스 D 응용 프로그램이 500 kHz의 평균 데이터 주파수를 달성하기 위해 특히 향상되며, 루프 게인이 90% 변조로, 전체 변조에 대한 안정성. 에이독립형변조기 모드를 사용하면 더 높은 출력 전력을 위해 외부 페트를 구동 할 수 있습니다.

PGA, 변조기 및 디지털 로직에는 {{{0}} v 공급을 사용하고 스위칭 출력 단계의 경우 8V에서 20V 사이의 고전압 공급 장치를 사용합니다. 관련 참조 설계는 FCC 클래스 B EMI 요구 사항을 충족합니다. 5- v 및 12- v Supplies로 6 옴 하중을 구동 할 때 AD1994는 2 × 1- w 출력 레벨에서 487 MW, 710 MW를 사소하게합니다.전원 다운방법. 64- 리드 LFCSP 패키지로 제공되며 –40도에서 +85 학위로 지정됩니다.

Blackfin Processors-Can을 포함한 구현을 포함한 클래스 D 앰프에 대한 더 많은 기술 정보는 추가 읽기 섹션에서 찾을 수 있습니다.