Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004„ska firma Tripath zaprezentowała pierwszy...

2004Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne

Poznań 9 - 10 grudnia 2004

Andrzej Prałat Politechnika WrocławskaInstytut Telekomunikacji i AkustykiW. Wyspiańskiego 27 50-370 WrocławE-mali [email protected],Matyszny Marek Rduch ElektroakustykaUl 1 Maja 44-340 Godów

[email protected] mocy klasy T

Streszczenie: Problem sprawności staje się tym bardziejkrytyczny nim w większą mocą dysponuje wzmacniacz. Jestto związane w tym że moc straconą trzeba w układziewytracić. W referacie Przedstawiono opis wzmacniacza mocyi 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

www.pwt.et.put.poznan.pl

PWT 2004, Poznań 9 - 10 grudnia 2004 1

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 600…700kHz.

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,



Produkt

Moc

wyjściowa[W]Napięcie

zasilania

[V]

THD+N

[%]

Sprawność

[%]

Zakres

zasilania

[V]

Obudowa

Zastosowanie

TA20

24B

2 x

152

x 10

12,0

12,0

10,0

00,

045

888,

5 –

13,2

32-p

in P

SOP

-mul

timed

ia- T

V, D

VD

TA20

202

x 20

2 x

1013

,513

,55,

000,

0388

8,5

– 14

,632

-pin

SSI

P-m

ultim

edia

- TV

, DV

D

TA20

21B

2 x

252

x 15

14,6

14,6

5,0

0,03

888,

5 –

14,6

36-p

in P

SOP

-mul

timed

ia- T

V, D

VD

TA20

222

x 10

02

x 90

2 x

80

+/-3

1+/

-31

+/-3

1

1,00

0,10

0,03

92+/

-12,

0 -

+/-3

6,0

32-p

in S

SIP

-DV

D-T

V-m

ałe

syst

.nagł.

Wzmacniacze

zintegrowane

TA20

414

x 50

4 x

3020

,020

,010

,00,

0285

9,5

– 13

,232

-pin

SSI

Pna

gł,m

otor

yzac

j.-D

VD

-mul

timed

ia

TA30

202

x 30

02

x 22

02

x 15

0

+/-4

5+/

-45

+/-4

5

10,0

1,00

0,03

95+/

-15,

0 -

+/-6

5,0

48-p

in D

IP-w

zm.d

użej

moc

y,-s

ubw

oofe

r,Sterowniki

TA01

052x

500

(12,

5Ω)

2 x

500

+/-1

20+/

-85

0,10

0,10

85+/

-30

– +/

-18

5,0

38-p

inm

odul

e-A

udio

wzm

.-s

ubw

oofe

r,

TK20

192

x 20

2 x

152

x 11

24,0

24,0

24,0

10,0

1,0

0,03

928,

0 –

25,0

28-p

in S

OP

8-pi

n SO

IC

-DV

D,

-mał

e sy

st.n

agł,

-nagł.

w m

oto.

TK20

502

x 60

(8Ω

)2

x 50

(8Ω

)2

x 30

(8Ω

)

30,0

30,0

30,0

10,0

3,00

0,01

9210

,0 –

36,

028

-pin

SO

P36

-pin

PSO

P

-DV

D,

-mał

e sy

st.n

agł,

-nagł.

w m

oto.

TK20

512

x 60

(8Ω

)2

x 50

(8Ω

)2

x 30

(8Ω

)

30,0

30,0

30,0

10,0

3,00

0,01

9210

,0 –

36,

028

-pin

SO

P36

-pin

PSO

P

-nagł.

w m

oto.

-DV

D,

TK20

702

x 70

2 x

552

x 45

24,0

24,0

24,0

10,0

1,00

0,02

928,

0 –

25,0

28-p

in S

OP

8-pi

n SO

IC

-DV

D,

-nagł.

w m

oto.

TK21

502

x 20

0(6Ω

)2

x 15

5(6Ω

)2

x 10

0(6Ω

)

+/-4

5+/

-45

+/-4

5

10,0

1,00

0,02

93+/

-15

- +/-

60,0

28-p

in S

OP

64-p

in L

QFP

-wzm

.duż

ej m

ocy,

A/V

odb.

-sub

woo

fer,

Chipset

TK23

502

x 30

02

x 22

02

x 15

0

+/-4

5+/

-45

+/-4

5

10,0

1,00

0,03

95+/

-15

- +/-

65,0

28-p

in S

OP

64-p

in L

QFP

-wzm

.duż

ej m

ocy,

A/V

odb.

-sub

woo

fer,



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].

0 2 4 6 8 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

RL = 8Ohm

RL = 4Ohmy

Spraw

ność [%

]

Moc wyjściowa [W]

f = 1kHzUzas = 12VTHD < 2%

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

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.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 140

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10RL = 4OhmyRL = 8Ohm

THD [

%]

Moc wyjściowa [W]

Uzas = 12Vf = 1kHz

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



wyciszania sygnału podczas włączenia i wyłączania wzmacniacze (eliminuje stuki w głośnikach).

10 100 1k 10k 100k3

4

5

6

7

8

9

10

11

-3dB

0dB

Ku [V

/V]

Częstotliwość [Hz]

Uzas = 12VRL = 4OhmyB = 10Hz - 37kHz

Rysd.5. Charakterystyka wzmocnienia napięciowegow funkcji częstotliwości dla TA 2020

10 100 1k 10k1

2

3

4

5

6

0dB

-3dB

Pwy [W

]


Uzas = 12VRL = 8OhmTHD < 2%

Rys. 6. Charakterystyka mocy wejściowej w funkcji

częstotliwości dla TA2020.

Sprawność energetyczna wzmacniacza TA2020

jest nieco gorsza od klasycznych wzmacniaczy klasy D

10 100 1k 10k

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

4Ohmy

8Ohm

THD

[%]


Uzas = 12VPwy = 4W

Ryr.4. Charakterystyka współczynnika zawartości

harmonicznych w funkcji częstotliwości dla TA2020

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

400

500

600

700

800

900

Często

tliwość

impul

sów [kH

z]

Moc wyjściowa [W]

Uzas = 12VRL = 4OhmyTHD < 10%

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[]



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 300 – 900kHz. 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 mocyo wysokiej wierności odtwarzania zimpulsową pracą elementów aktywnych.” Wrocław2003 (rozprawa doktorska)[1] Aplication Note–AN9, Designing with switchingamplifiers for performance and reliability , March1999, Tripath, Santa Clara, USA.2] Aplication Note–AN2, Tripath Class T and DigitalAmplifiers, April 1999, Tripath, Santa Clara, USA.[3] Układy Audio–„Elektronika Plus”-wydaniespecjalne, styczeń 2003.[4] Zetex: ZXCD1000, High Fidelity Class D AudioAmplifiers Solutions, March 2001. [6] Technical Information- TA3020: Class-T DigitalAudio Amplifier Reference Board using Digital PowerProcessing (DPP) Technology – Evaluation Board,May 2001, Tripath, Santa Clara, USA.[7] Technical Information- TA3020: Stereo 300W (4Ώ) Class – T Digital Audio Amplifier Driver UsingDigital Processing (DPP) Technology – September2003, Tripath, Santa Clara, USA.[8] Technical Information – TK2350: Stereo 300W(4Ώ) Class -T Digital Audio Amplifier DriverUsingDigital Power Processing Technology – September2003, Tripath, Santa Clara, USA.[9] Technical Information – TA2022: Stereo 90W (4Ώ)Class – T Digital Audio AmplifierDriver Using DPP Technology – February 2004,Tripath, Santa Clara, USA. [10] Technical Information-AN1: Class-T DigitalAudio Amplifier Technology, April 1999, Tripath,Santa Clara, USA. [11] Technical Information-TA2020: Class-T DigitalAudio Amplifier Technology, September 2000, Tripath,Santa Clara, USA [12]Matuszny Marek Wzmacniacz mocy klasy T .

Praca dyplomowa inżynierska 2004.



Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004„ska firma Tripath zaprezentowała pierwszy...

Documents

Transcript of Poznańskie Warsztaty Telekomunikacyjne PWT2004„ska firma Tripath zaprezentowała pierwszy...