Kelas A, B, AB & D Dasar Audio Amplifier (Bagian 4)

Kerugian Power dalam MOSFET

Kerugian dalam power switches sangat berbeda antara linier amplifier dan Kelas D amplifier. Pertama mari kita melihat kerugian secara linear Class AB amplifier. Kerugian dapat didefinisikan sebagai :

Dimana K adalah rasio dari tegangan keluaran Vbus.

Ini kemudian dapat disederhanakan ke persamaan berikut untuk kerugian linear amplifier Power :

Perlu diketahui bahwa daya yang hilang tidak terkait dengan perangkat output parameter. Gambar 5 di bawah ini menunjukkan daya yang hilang vs K.

Sekarang mari kita melihat kerugian untuk Kelas D penguat. Total daya yang hilang dalam perangkat output untuk Kelas D penguat diberikan oleh :

Psw adalah mengganti kerugian dan diberikan oleh persamaan :

Konduksi Pcond adalah kerugian dan diberikan oleh persamaan :

Pgd adalah gerbang drive kerugian dan diberikan oleh persamaan :

Seperti dapat dilihat dalam Kelas D keluaran penguat kerugian yang tergantung pada parameter-parameter dari perangkat yang digunakan, sehingga optimasi diperlukan untuk memiliki perangkat yang paling efektif, berdasarkan Qg, RDS(on), COSS, dan tf. Gambar 6 di bawah ini menunjukkan kekuatan kerugian vs K untuk Kelas D penguat.

Mirip dengan konvensional Class AB amplifier, amplifier Kelas D dapat dikategorikan ke dalam dua topologi, setengah-jembatan dan jembatan penuh konfigurasi. Setiap topologi memiliki pro dan kontra. Singkat, setengah-jembatan secara potensial lebih sederhana, sementara jembatan penuh lebih baik dalam performa audio. Jembatan penuh topologi memerlukan dua setengah jembatan penguat, dan dengan demikian, lebih komponen. Namun, perbedaan struktur output jembatan topologi secara inheren dapat membatalkan bahkan urutan distorsi harmonik komponen dan DC offset, seperti dalam Class AB amplifier. Sebuah topologi jembatan penuh memungkinkan penggunaan yang lebih baik skema modulasi PWM (Pulse Width Modulated), seperti tingkat tiga PWM (Pulse Width Modulated) yang pada dasarnya memiliki lebih sedikit kesalahan karena kuantisasi.

Dalam topologi setengah jembatan, listrik mungkin menderita dari energi yang dipompa kembali dari penguat, yang mengakibatkan fluktuasi tegangan bus parah ketika output penguat sinyal audio frekuensi rendah ke beban. menendang kembali ini energi untuk listrik adalah karakteristik mendasar Kelas D amplifikasi. Komplementer switching kaki di jembatan penuh cenderung mengkonsumsi energi dari sisi lain kaki, sehingga tidak ada energi yang dipompa kembali ke catu daya.

Tabel 1 menunjukkan ringkasan dari perbandingan.

Ideal tahap memperkuat Kelas D tidak mempunyai distorsi dan tidak ada suara terdengar generasi di audible band, bersama dengan menyediakan 100% efisiensi. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, praktis Kelas D amplifier memiliki ketidaksempurnaan yang menghasilkan distorsi dan kebisingan. Ketidaksempurnaan disebabkan oleh beralih terdistorsi gelombang yang dihasilkan oleh Kelas D. Penyebabnya adalah :

1. Non-linear dalam sinyal PWM (Pulse Width Modulated) dari modulasi untuk tahap switching karena keterbatasan resolusi dan / atau jitter dalam waktu.
2. Timing kesalahan ditambahkan oleh gerbang driver, seperti mati-waktu, ton/toff, dan tr/tf.
3. Karakteristik yang tidak diinginkan pada perangkat switching, seperti perlawanan ON terbatas, kecepatan switching terbatas atau badan karakteristik dioda.
4. Komponen parasitic yang menyebabkan transien berdering di tepi.
   Fluktuasi tegangan listrik karena impedansi keluaran yang terbatas dan daya reaktif yang mengalir melalui bus DC.
5. Non-linearitas dalam output LPF.

Secara umum, waktu switching kesalahan dalam sinyal gerbang adalah penyebab utama dari non-linear. Kesalahan penghitungan waktu karena waktu mati-khususnya memiliki kontribusi paling signifikan non-linear dalam Kelas D. Sejumlah kecil di mati-waktu puluhan nano-detik dapat dengan mudah menghasilkan lebih dari 1% THD (Total Harmonic Distortion). Waktu switching yang akurat selalu menjadi perhatian utama.

Mari kita lihat bagaimana mati-waktu mempengaruhi non-linear.

Modus operasi dalam Kelas D tingkat keluaran dapat dikelompokkan menjadi tiga wilayah yang berbeda berdasarkan pada bagaimana bentuk gelombang output mengikuti input waktu. Dalam tiga wilayah operasi yang berbeda, gelombang keluaran berikut tepi-tepi yang berbeda di sisi tinggi dan sisi rendah masukan sinyal.

Mari kita periksa wilayah operasi pertama di mana mengalir arus keluaran dari Kelas D tahap ke beban ketika jumlah arus lebih besar daripada riak arus induktor. Pada saat sisi tinggi turn-off dan sebelum sisi rendah turn-on, output node diantar ke bus DC negatif. Tindakan ini secara otomatis disebabkan oleh pergantian arus dari Demodulation induktor, terlepas dari sisi rendah turn-on waktu. Oleh karena itu waktu di gelombang keluaran tidak dipengaruhi oleh mati-waktu dimasukkan ke dalam turn-on di sisi tepi rendah, dan selalu mengikuti sisi tinggi masukan waktu. Akibatnya, gelombang PWM yang dipersingkat hanya oleh mati-waktu dimasukkan ke gerbang samping yang tinggi sinyal, menghasilkan gain tegangan sedikit lebih rendah seperti yang diharapkan dari siklus input.

Situasi serupa terjadi pada operasi negatif daerah di mana mengalir arus keluaran dari beban ke Kelas D. Jumlah arus lebih besar daripada riak arus induktor. Dalam kasus ini, waktu dalam gelombang keluaran tidak dipengaruhi oleh waktu mati dimasukkan ke dalam turn-on di tepi sisi yang tinggi, dan selalu mengikuti rendah input sisi waktu. Akibatnya, gelombang PWM (Pulse Width Modulated) yang dipersingkat hanya oleh mati-waktu dimasukkan ke gerbang samping sinyal rendah.

Ada wilayah antara dua modus operasi yang telah dijelaskan sebelumnya di mana waktu keluaran tidak tergantung pada mati-waktu. Ketika arus keluaran lebih kecil daripada induktor riak arus keluaran waktu mengikuti turn-off tepi tiap input karena, di daerah ini, turn-on dibuat oleh ZVS (Zero Voltage Switching) operasi. Oleh karena itu, tidak ada distorsi di wilayah tengah ini.

Sebagai arus keluaran bervariasi sesuai dengan sinyal input audio, Kelas D tahap mengubah daerah operasi, yang masing-masing memiliki keuntungan yang sedikit berbeda. Gelombang keluaran akan terdistorsi oleh ketiga memperoleh berbagai daerah dalam siklus sinyal audio.

Gambar 8 menunjukkan bagaimana waktu mati secara signifikan mempengaruhi kinerja THD (Total Harmonic Distortion). Sebuah waktu mati 40nS bisa menciptakan 2% THD (Total Harmonic Distortion). Ini dapat ditingkatkan menjadi 0,2% dengan memperketat waktu mati ke 15nS. Ini menyela pentingnya mulus sisi tinggi dan rendah beralih sisi linearitas yang lebih baik.