Усилители класса D - достижение конструкторской мысли "цифровой"
эпохи. Их главная особенность - использование вместо усиления широтно-импульсной
модуляции (ШИМ, она же PWM - pulse width modulation). В отличие от аналоговых
усилителей, где выходной сигнал представляет собой "увеличенную" копию входного,
выходной сигнал усилителей класса D представляет собой импульсы прямоугольной
формы. Их амплитуда постоянна, а длительность ("ширина") изменяется в
зависимости от амплитуды аналогового сигнала, поступающего на вход усилителя.
Частота импульсов (частота дискретизации) постоянна и в зависимости от
требований, предъявляемых к усилителю, составляет от нескольких десятков до
сотен килогерц. После формирования импульсы усиливаются оконечными
транзисторами, работающими в ключевом режиме. Преобразование импульсного сигнала
в аналоговый происходит в фильтре низких частот на выходе усилителя или
непосредственно в нагрузке.
Основное достоинство усилителей этого класса - высокий кпд (в лучших образцах -
до 95%). Это объясняется тем, что амплитуда импульсов практически равна
напряжению питания и потери мощности на выходных транзисторах минимальны.
Искажения возрастают при увеличении частоты сигнала и снижении частоты
дискретизации. Косвенным образом от частоты дискретизации зависит и выходная
мощность - с ростом частоты уменьшаются индуктивность катушек и снижаются потери
в выходном фильтре.
Цифровые усилители.
Строго говоря, правильно было бы называть их импульсными усилителями, но
параллели "аналоговый-цифровой" уже сработали, и термин принят de facto, хотя и
не признан официально.
В конце концов под натиском цифровой техники стали отступать даже усилители,
традиционно работавшие только с аналоговыми сигналами. Идея, положенная в основу
усилителей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) - иначе говоря, усилителей
класса D, известна еще с конца 50-х годов. Однако создание действительно
пригодных для высококачественного звуковоспроизведения конструкций стало
возможным лишь в середине 80-х после появления соответствующей элементной базы.
В усилителях класса D возможен режим непосредственного усиления цифровых
сигналов без их преобразования в аналоговую форму. Когда аудиосигнал уже
представлен в цифровом виде, информацию о величине сигнала и необходимом для его
усиления напряжении питания можно получить заранее. Это используется в некоторых
конструкциях, так что идея управления напряжением питания получила вторую жизнь.
Принцип работы усилителей этого класса состоит в том, что выходной каскад
возбуждается импульсами прямоугольной формы. Затем последовательность
прямоугольных импульсов поступает на усилитель мощности, работающий в ключевом
режиме. Фильтр НЧ на выходе выделяет полезный сигнал, подавляя при этом несущую
частоту, ее гармоники и боковые полосы спектра модуляции. КПД этих усилителей
доходит до фантастической цифры 92-95%. Это преимущество особенно проявляется
при усилении сигналов малого уровня. Однако искажения сигналов малого уровня
больше, чем среднего. Коэффициент нелинейных искажений обычно лежит в пределах
от 0,01 до 0,1%.
Усилители класса D, подобно их аналоговым собратьям, тоже разделяются на классы.
Основное разделение идет по количеству уровней выходных импульсов:
два уровня (+U и - U) - режим AD
три уровня (+U, 0 и -U) - режим BD
Усилители в режиме AD подобны аналоговым усилителям класса A - потребляют
значительный ток покоя. В режиме BD ток покоя отсутствует. Что же касается
искажений, то они при прочих равных условиях зависят от способа модуляции и вида
модулирующего сигнала.
односторонняя модуляция: смещается во времени только один фронт импульсов
(передний или задний)
двухсторонняя модуляция: смещаются во времени оба фронта импульсов симметрично
относительно момента тактирования
Модулирующие сигналы могут быть двух видов
непосредственно аналоговый сигнал (случайная дискретизация). Дополнительные
искажения не возникают.
сигнал после схемы выборки-хранения (фиксированная дискретизация). Изменения
формы импульсов приводят к дополнительным нелинейным искажениям сигнала.