Как работает автомобильный усилитель звука? – Выходной каскад класса D
По мере того, как мы продолжаем рассматривать работу автомобильных аудиоусилителей, нам необходимо обсудить, что сегодня стало самой популярной конструкцией на рынке:усилители, в которых используется выходной каскад класса D. В среде аудиофилов конструкции класса D часто имеют неблагоприятную репутацию. Перевешивают ли их недостатки преимущества? Давайте посмотрим!
Как работает выходной каскад класса D?
После того, как входной каскад удовлетворит все потребности в обработке сигнала, аудиосигнал передается на выходной каскад, чтобы увеличить его в напряжения, а полевые МОП-транзисторы могут обеспечить достаточное количество тока для питания наших динамиков с относительно низким импедансом. В современных усилителях класса D выходные устройства MOSFET питаются от микросхемы драйвера, которая выполняет преобразование аналогового сигнала в сигнал с широтно-импульсной модуляцией.
Что такое сигнал с широтно-импульсной модуляцией?
Представьте, если хотите, лампочку накаливания. Мы подключаем лампочку к источнику питания и последовательно в цепь вставляем переключатель, управляемый компьютером. Если мы оставим выключатель выключенным, свет останется выключенным. Если мы включим выключатель, свет загорится на полную яркость. Однако, если мы будем включать и выключать выключатель очень быстро, и он будет оставаться включенным до тех пор, пока он выключен, лампочка будет светиться с половиной возможной яркости. Это изменение времени включения и выключения называется рабочим циклом. Когда время включения и выключения одинаково, это 50% рабочий цикл. Использование сигнала прямоугольной формы с различными рабочими циклами называется широтно-импульсной модуляцией (или ШИМ для краткости).
Драйвер класса D анализирует аудиосигнал на чрезвычайно высоких скоростях (некоторые до 800 кГц) и создает ШИМ-сигнал относительно низкого напряжения, который подается на выходные устройства. Устройства вывода включаются и выключаются очень быстро. Поскольку устройства проводят очень мало времени в частично включенном состоянии, они представляют очень малое сопротивление и, следовательно, потребляют очень мало энергии. Лучшие усилители класса D на рынке предлагают общий КПД, превышающий 92% при полной мощности. Эта превосходная эффективность отличается от усилителей класса AB, которые превращают от 35% до 50% энергии, подаваемой в усилитель, в тепло.
На компакт-дисках используется версия ШИМ, в которой коэффициент заполнения выходного импульса хранится в 16-битном цифровом слове. Это дает нам 65 536 возможных уровней амплитуды. В отличие от современных драйверов класса D, наш звук хранится с частотой 44 100 выборок в секунду. Этого более чем достаточно для воспроизведения всего звукового спектра.
Схема класса D
Наконец, усилители класса D обычно имеют свои выходные устройства, расположенные в конфигурации класса AB, где одно устройство управляет отрицательной частью сигнала, а другое — положительной. Таким образом, класс D описывает, как используются устройства вывода, а не их электрическую ориентацию в цепи.
Недостатки усилителей класса D
Если вы читали статьи BestCarAudio.com об искажениях, то знаете, что прямоугольный сигнал переменного тока состоит из большое количество высокочастотных гармоник. Вы, вероятно, слышали это явление в своем доме, если у вас есть диммер на некоторых светильниках. Нить накала в фарах время от времени будет звенеть, в зависимости от уровня диммера. Поскольку мы хотим передать только аудиосигнал обратно в динамик, разработчики усилителей добавляют сеть пассивных фильтров к выходу полевых МОП-транзисторов. This network includes an inductor in series with the load as well as a capacitor and resistor in parallel and acts as a low-pass filter to remove this high-frequency switching noise.
One drawback of a Class D design is that these output filter components interact with the frequency-dependent variations in load impedance to alter the frequency response of the amplifier. While the effect is minute, it can give Class D amps a different overall tonal balance than you’d get from an AB design. Of course, a little manipulation with a digital signal processor (DSP) will get that back in check in a jiffy.
Another issue with all this high-frequency energy is the potential for electrical interference with other systems in the vehicle. Most commonly, AM or FM radio reception can be washed out or dramatically reduced. While the better amplifier manufacturers do everything possible to mitigate radio-frequency interference, problems can still occur — the best plan to keep the amplifier as far away as possible from the radio antenna.
Why Would You Want a Class D Amplifier?
The long and the short of it is that companies have invested in developing Class D amplifiers in an effort to shrink the physical size requirements of amplifiers, supposedly to make it easier for installation technicians to find mounting locations for them. The reality is, heatsinks for amplifiers are one of the more expensive single components in an amplifier. If the size of the heatsink can be reduced, so can the cost of the amplifier. The days of 40- and 50-watts-per-channel stereo amps with a footprint of more than a square foot are long gone, thanks to modern Class D designs. Now, you can get more than 1,000 watts of power from that same physical space.
Class D amplifiers are a good solution for subwoofer systems because they do offer increased efficiency over their Class AB counterparts, and almost all amplifier manufacturers have at least one series of Class D amplifier in their catalog. Your local specialist mobile enhancement retailer can help you choose a solution with the right power level, number of channels and features to make your car stereo sound great.