Trong thế giới hiện đại này, mục tiêu chính của khuếch đại âm thanh trong hệ thống âm thanh là tái tạo và khuếch đại chính xác các tín hiệu đầu vào đã cho. Và một trong những thách thức lớn nhất là phải có công suất đầu ra cao với mức tổn thất điện năng ít nhất có thể. Công nghệ bộ khuếch đại Class D đang ngày càng có ảnh hưởng lớn đến thế giới âm thanh sống động bằng cách cung cấp công suất cao với mức tiêu hao điện năng bằng không và trọng lượng nhẹ hơn bao giờ hết. Ngày nay, các thiết bị nghe nhạc di động đang trở nên phổ biến hơn với nhu cầu về âm thanh bên ngoài của các thiết bị nghe nhạc di động ngày càng tăng.
Khuếch đại âm thanh đôi khi được thực hiện với công nghệ khuếch đại ống nhưng chúng có kích thước cồng kềnh và không phù hợp với các hệ thống âm thanh điện tử di động. Đối với hầu hết các nhu cầu khuếch đại âm thanh, các kỹ sư chọn sử dụng bóng bán dẫn ở chế độ tuyến tính để tạo ra một đầu ra được chia tỷ lệ dựa trên một đầu vào nhỏ. Đây không phải là thiết kế tốt nhất cho bộ khuếch đại âm thanh vì các bóng bán dẫn trong quá trình hoạt động tuyến tính sẽ liên tục dẫn điện, sinh nhiệt và tiêu tốn điện năng. Sự mất nhiệt này là lý do chính khiến chế độ tuyến tính không tối ưu cho các ứng dụng âm thanh di động chạy bằng pin. Có nhiều loại bộ khuếch đại âm thanh A, B, AB, C, D, E và F. Chúng được phân loại thành hai chế độ hoạt động khác nhau, tuyến tính và chuyển mạch.
Bộ khuếch đại Class D
Bộ khuếch đại công suất chế độ tuyến tính - Loại A, B, AB và lớp C là tất cả các bộ khuếch đại chế độ tuyến tính có đầu ra tỷ lệ với đầu vào của chúng. Bộ khuếch đại chế độ tuyến tính không bão hòa, bật hoàn toàn hoặc tắt hoàn toàn. Vì các bóng bán dẫn luôn dẫn điện, nhiệt được tạo ra và liên tục tiêu thụ điện năng. Đây là lý do tại sao bộ khuếch đại tuyến tính có hiệu suất thấp hơn khi so sánh với bộ khuếch đại chuyển mạch. Bộ khuếch đại chuyển mạch-Class D, E và F là bộ khuếch đại chuyển mạch. Chúng có hiệu suất cao hơn, theo lý thuyết phải là 100%. Điều này là do không có năng lượng bị thất thoát khi tản nhiệt.
Bộ khuếch đại Class D là gì?
Bộ khuếch đại Class D là bộ khuếch đại chuyển mạch và khi nó ở trạng thái “BẬT”, nó sẽ dẫn dòng điện nhưng có điện áp gần như bằng không qua các công tắc, do đó không có nhiệt bị tiêu tán do tiêu thụ điện năng. Khi nó ở chế độ “TẮT”, điện áp cung cấp sẽ đi ngang MOSFETs , nhưng do không có dòng điện, công tắc không tiêu thụ bất kỳ điện năng nào. Bộ khuếch đại sẽ chỉ tiêu thụ công suất trong quá trình chuyển đổi bật / tắt nếu không tính đến dòng rò. Bộ khuếch đại Class D bao gồm các giai đoạn sau:
- Bộ điều chế PMW
- Chuyển mạch
- Bộ lọc thông thấp đầu ra
Sơ đồ khối của Bộ khuếch đại Class D
Bộ điều chế PMW
Chúng ta cần một khối xây dựng mạch được gọi là bộ so sánh. Bộ so sánh có hai đầu vào, đó là Đầu vào A và Đầu vào B. Khi Đầu vào A có điện áp cao hơn Đầu vào B, đầu ra của bộ so sánh sẽ chuyển sang điện áp dương cực đại (+ Vcc). Khi Đầu vào A có điện áp thấp hơn Đầu vào B, đầu ra của bộ so sánh sẽ chuyển sang điện áp âm cực đại (-Vcc). Hình dưới đây cho thấy cách bộ so sánh hoạt động trong bộ khuếch đại Class-D. Một đầu vào (giả sử là Đầu vào A đầu cuối) được cấp tín hiệu để khuếch đại. Đầu vào khác (Đầu vào B) được cung cấp một sóng tam giác được tạo chính xác. Khi tín hiệu ngay lập tức có mức cao hơn sóng tam giác, đầu ra sẽ dương. Khi tín hiệu ngay lập tức ở mức thấp hơn sóng tam giác, đầu ra sẽ âm. Kết quả là tạo ra một chuỗi xung mà độ rộng xung tỷ lệ với mức tín hiệu tức thời. Điều này được gọi là 'Điều chế độ rộng xung' hoặc PWM .
Bộ điều chế PMW
Chuyển mạch
Mặc dù đầu ra của bộ so sánh là bản đại diện kỹ thuật số của tín hiệu âm thanh đầu vào, nhưng nó không có khả năng truyền tải (loa). Nhiệm vụ của mạch chuyển đổi này là cung cấp đủ công suất, điều này rất cần thiết cho một bộ khuếch đại. Mạch chuyển mạch thường được thiết kế bằng cách sử dụng MOSFET. Điều rất quan trọng là phải thiết kế sao cho các mạch chuyển đổi tạo ra các tín hiệu không chồng lên nhau, nếu không bạn sẽ gặp phải sự cố ngắn nguồn cung cấp thẳng xuống đất hoặc nếu sử dụng nguồn cung cấp tách làm ngắn nguồn cung cấp. Điều này được gọi là bắn xuyên qua, nhưng nó có thể được ngăn chặn bằng cách đưa các tín hiệu cổng không chồng chéo vào MOSFET. Thời gian không trùng lặp được gọi là Dead time. Khi thiết kế các tín hiệu này, chúng ta phải giữ thời gian chết càng ngắn càng tốt để duy trì tín hiệu đầu ra có độ méo thấp chính xác nhưng phải đủ dài để duy trì cả hai MOSFET dẫn điện cùng một lúc. Thời gian mà các MOSFET ở chế độ tuyến tính cũng phải được giảm xuống, điều này sẽ giúp đảm bảo rằng các MOSFET đang hoạt động đồng bộ hơn là cả hai hoạt động cùng một lúc.
Đối với ứng dụng này, MOSFET công suất phải được sử dụng do mức tăng công suất trong thiết kế. Các bộ khuếch đại Class D được sử dụng vì hiệu quả cao của chúng, nhưng MOSFET có một diode bên trong cơ thể được ký sinh và sẽ cho phép dòng điện tiếp tục chạy tự do trong thời gian chết. Một diode Schottky có thể được thêm vào song song với cống và nguồn của MOSFET để giảm tổn thất qua MOSFET. Điều này làm giảm tổn thất của nó vì diode Schottky nhanh hơn diode cơ thể của MOSFET đảm bảo rằng diode cơ thể không dẫn điện trong thời gian chết. Để giảm tổn thất do tần số cao, một diode Schottky song song với MOSFET là thực tế và cần thiết. Schottky này đảm bảo rằng điện áp trên các MOSFET trước khi tắt. Hoạt động tổng thể của MOSFETs và giai đoạn đầu ra tương tự như hoạt động của đồng bộ dụng cụ đổi tiền . Dạng sóng đầu vào và đầu ra của mạch chuyển mạch được thể hiện trong hình bên dưới.
Chuyển mạch
Đầu ra bộ lọc thông thấp
Giai đoạn cuối cùng của bộ khuếch đại Class D là bộ lọc đầu ra làm suy giảm và loại bỏ các sóng hài của tần số tín hiệu chuyển đổi. Điều này có thể được thực hiện bằng cách bố trí bộ lọc thông thấp phổ biến, nhưng phổ biến nhất là kết hợp cuộn cảm và tụ điện. Một bộ lọc thứ hai được mong muốn để chúng ta có -40dB / Decade roll-off. Phạm vi của tần số cắt là từ 20 kHz đến khoảng 50 kHz do thực tế là con người không thể nghe thấy bất cứ điều gì trên 20 kHz. Hình dưới đây cho thấy bộ lọc Butterworth bậc hai. Lý do chính mà chúng tôi chọn bộ lọc Butterworth là nó yêu cầu ít thành phần nhất và có phản hồi phẳng với tần số cắt mạnh.
Đầu ra bộ lọc thông thấp
Các ứng dụng của bộ khuếch đại Class D
Nó phù hợp hơn cho các thiết bị di động vì nó không chứa thêm bất kỳ sự sắp xếp tản nhiệt nào. Vì vậy, dễ dàng để thực hiện. Bộ khuếch đại công suất cao lớp D đã trở thành tiêu chuẩn trong nhiều ứng dụng điện tử tiêu dùng như
- Máy thu hình và hệ thống rạp hát tại nhà.
- Điện tử tiêu dùng khối lượng lớn
- Bộ khuếch đại tai nghe
- Công nghệ điện thoại di động
- Ô tô
Vì vậy, đây là tất cả về hoạt động và ứng dụng của bộ khuếch đại lớp D. Chúng tôi hy vọng rằng bạn đã hiểu rõ hơn về khái niệm này. Hơn nữa, bất kỳ truy vấn nào liên quan đến khái niệm này hoặc để triển khai bất kỳ dự án điện và điện tử , vui lòng đưa ra phản hồi của bạn bằng cách bình luận trong phần bình luận bên dưới. Dưới đây là một câu hỏi cho bạn, Các ứng dụng của bộ khuếch đại Class D là gì?
