К классу D относятся усилители с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Они работают следующим образом. На базу транзистора (напряжение смещения которой должно быть больше напряжения запирания) подается последовательность прямоугольных импульсов, прошедших широтно-импульсную модуляцию сигналом, который необходимо усилить. Эта последовательность отпирает и запирает транзистор, вынуждая его работать в ключевом режиме. Значения КПД для этого класса составляют около 90%, т.к. рабочая точка транзистора очень короткое время находится на линейном участке характеристики, потери в закрытом или полностью открытом состоянии минимальны, а ток через транзисторы при отсутствии сигнала равен нулю. Благодаря этому в последнее время возрос интерес к усилителям этого класса. Усилители этого класса в основном используются в аудиотехнике.
Усилители класса D
В усилителях класса D транзисторы работают в ключевом режиме. На выходной каскад подается последовательность ШИМ-прямоугольных импульсов, скважность которых пропорциональна амплитуде усиливаемого сигнала. На выходе таких усилителей устанавливаются сглаживающие фильтры. Усилители такого типа могут работать в режиме усиления аналоговых или цифровых сигналов.
Усиление аналоговых сигналов происходит следующим образом (см. рис.1). Генератор вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов постоянной частоты (называемой несущей) и интегратор превращает ее в последовательность треугольных импульсов. Полученная последовательность и входной сигнал поступают на компаратор, выступающий в роли модулятора. С выхода компаратора снимается последовательность прямоугольных импульсов , скважность которых пропорциональна мгновенным значениям амплитуды входного сигнала. Эта последовательность поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом режиме. После усиления сигнал поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ), который подавляет несущую частоту, ее гармоники и побочные составляющие спектра модуляции. Основное условие работы такой схемы - несущая частота должна быть, как минимум, вдвое больше максимальной частоты усиливаемого сигнала. Обычно частота дискретизации выбирается в пределах 200...500 кГц (что обусловлено простотой фильтрации).
Рис. 1. Схема простейшего моно усилителя класса D и сигналы в разных точках схемы
Для усиления цифровых сигналов на входе нужно использовать преобразователь «цифра-цифра». Входной цифровой сигнал преобразуется в последовательность одноразрядных сигналов импульсно-кодовой модуляции, которые подаются непосредственно на усилитель мощности.
Пример усилителя класса D - микросхема TPA005D02 фирмы Texas Instruments. Это стереоусилитель класса D, который при напряжении питания 5 В обеспечивает:
среднюю выходную мощность 2 Вт на канал;
пиковую мощность 5 Вт на канал (на нагрузке 4 Ом);
коэффициент нелинейных искажений в звуковом диапазоне частот 0,8%.
КПД «хорошего» усилителя класса АВ при усилении синусоидального сигнала составляет приблизительно 67%, а класса D (при тех же условиях) - 80%. Разница невелика, и поэтому возникает вопрос об оправданности повышенного интереса к классу D. Но если рассмотреть эти же усилители при работе с реальным звуковым сигналом (музыкой или голосом), коэффициент амплитуды которого составляет 10...15 дБ, то ситуация меняется коренным образом. При этом условии КПД усилителя класса АВ падает до 30...45%, а КПД усилителя класса D - поднимается до 90%.
Основной недостаток усилителей этого класса - нелинейные искажения и высокочастотные помехи, создаваемые транзисторами при работе в ключевом режиме. Для борьбы с этим на входе усилителей включают фильтры нижних частот (ФНЧ).
Области применения усилителей класса D
аудиосистемы портативных компьютеров с батарейным питанием;
мобильные средства связи с батарейным питанием;
системы возбуждения мощных НЧ-динамиков в автомобильной аудиоаппаратуре;
устройства управления двигателями;
системы гашения вибраций;
усилители для возбуждения катушек динамических вибростендов.
