Khuếch đại Class D, Class E, G, H,… là gì, hoạt động ra sao?

Tổng quan

Hiệu suất vượt trội của bộ khuếch đại Class D biến nó thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao nhưng di động và nhỏ gọn. Trong khi các bộ khuếch đại Class D truyền thống cần bộ lọc thông thấp bên ngoài để tách tín hiệu âm thanh từ dạng sóng điều chế độ rộng xung (PWM), thì nhiều bộ khuếch đại Class D hiện đại lại áp dụng các kỹ thuật điều chế tiên tiến. Điều này không chỉ loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ lọc ngoài mà còn giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) trong nhiều ứng dụng. Việc bỏ qua các bộ lọc ngoài giúp tiết kiệm không gian trên bo mạch và giảm chi phí đáng kể cho nhiều hệ thống di động và nhỏ gọn.

Giới thiệu

Phần lớn các kỹ sư thiết kế hệ thống âm thanh đều nắm rõ ưu điểm hiệu suất của bộ khuếch đại Class D so với các bộ khuếch đại âm thanh tuyến tính như Class A, B và AB. Trong các bộ khuếch đại tuyến tính, như loại Class AB, một lượng năng lượng đáng kể bị mất mát do các thành phần phân cực và hoạt động tuyến tính của các bóng bán dẫn đầu ra. Trái lại, trong bộ khuếch đại Class D, các bóng bán dẫn được sử dụng như những công tắc để kiểm soát dòng điện qua tải, làm cho mức tiêu hao công suất ở tầng đầu ra là tối thiểu. Phần lớn các tổn thất công suất liên quan đến bộ khuếch đại Class D chủ yếu là do điện trở bật của bóng bán dẫn đầu ra, tổn thất chuyển mạch và dòng điện tĩnh không tải. Hầu hết công suất bị mất trong bộ khuếch đại đều bị tản nhiệt. Với các yêu cầu tản nhiệt có thể giảm đáng kể hoặc loại bỏ trong bộ khuếch đại Class D, chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao và nhỏ gọn.

Trước đây, mặc dù bộ khuếch đại Class D dựa trên PWM cổ điển có lợi thế về hiệu suất năng lượng, nhưng chi phí thành phần bộ lọc bên ngoài, yêu cầu tuân thủ EMI/EMC và hiệu suất THD+N thấp hơn so với bộ khuếch đại tuyến tính đã làm giảm giá trị của nó. Tuy nhiên, với sự tiến bộ trong các kỹ thuật điều chế và phản hồi, hầu hết các bộ khuếch đại Class D thế hệ mới đã khắc phục được các vấn đề này hiệu quả.

Bộ khuếch đại đơn giản này được gọi là ‘single-ended, Class A’. Nó chỉ có một thiết bị đầu ra và khi không có tín hiệu, dòng điện qua bóng bán dẫn đầu ra ít nhất cũng lớn bằng hoặc lớn hơn dòng điện tối đa từng chạy qua loa. Vì vậy, bộ khuếch đại Class-A hoạt động hết công suất ngay cả khi không có tín hiệu! Theo toán học, bộ khuếch đại Class-A chỉ có thể đạt hiệu suất 25 phần trăm. Vì vậy, ngay cả khi hoạt động tốt nhất, ba phần tư công suất đầu vào vẫn bị lãng phí.

Bộ khuếch đại Class A

Bộ khuếch đại loại Class A, dạng ‘single-ended’ rất đơn giản, chỉ có một thiết bị đầu ra. Ngay cả khi không có tín hiệu, dòng điện qua bóng bán dẫn đầu ra vẫn phải lớn bằng hoặc lớn hơn dòng điện tối đa từng chạy qua loa. Do đó, bộ khuếch đại Class A hoạt động ở mức công suất tối đa ngay cả khi không có tín hiệu. Theo lý thuyết, bộ khuếch đại Class A chỉ đạt hiệu suất 25%. Ngay cả khi hoạt động tốt nhất, ba phần tư công suất đầu vào vẫn bị lãng phí.

>>>>>>>>>>XEM THÊM: AMPLY HỘI TRƯỜNG ỨNG DỤNG CLASS A GIÁ SIÊU CHUẨN

Khuếch đại Class-E, F, G, H là gì?

Mỗi nhà thiết kế bộ khuếch đại đều mơ ước tạo ra một thiết kế sẽ được biết đến như một 'lớp'. Thực tế, các lớp đã phát triển vượt xa các lớp A, B, AB và D. Lớp E và F thường được sử dụng trong truyền dẫn vô tuyến, do đó, chúng ta có thể không cần quan tâm nhiều đến chúng. Tuy nhiên, Lớp G và Lớp H lại có mối liên hệ với âm thanh.

Class-H là phiên bản phát triển của Class-G (thực tế cả hai đều có nguồn gốc từ Class-AB, nhưng chúng ta không cần quá chú trọng vào chi tiết này). Trong Class-H, tín hiệu được sử dụng để điều chỉnh điện áp của đường ray cung cấp điện. Khi tín hiệu đạt mức cao, đường ray cung cấp điện cũng tăng điện áp để sẵn sàng cho hoạt động. Điều này giúp tránh được sự chuyển mạch thường gặp ở Class-G. Đặc biệt, việc điều chỉnh điện áp đường ray trong Class-H có nhiều điểm tương đồng với Class-D về bản chất.

Trong quá trình hoạt động của bộ khuếch đại, một bóng bán dẫn sẽ ‘kéo’ điện áp lên trong nửa chu kỳ dương của dạng sóng, trong khi bóng bán dẫn khác sẽ ‘đẩy’ điện áp xuống trong nửa chu kỳ âm. Đây là một cách giải thích rất đơn giản, gần như là ở mức mẫu giáo. Hãy cùng đi sâu hơn vào chi tiết để hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động này…

Bộ khuếch đại class B

Trong phiên bản này, tôi đã minh họa cả đường dây cung cấp dương và âm, cùng với một điểm trung tính, về điện áp là bằng không vôn. Có thể sử dụng nguồn điện một chiều (chỉ dương hoặc chỉ âm), nhưng nguồn điện hai chiều tốt hơn vì không cần tụ điện đầu ra để chặn DC. Điều này là do khi không có tín hiệu, cả hai đầu của loa đều ở mức bằng không vôn, không có dòng điện chạy qua và không cần chặn DC.

Bạn sẽ nhận thấy rằng các bóng bán dẫn hơi khác nhau. Bóng bán dẫn phía trên (Q1) được gọi là ‘npn’, nghĩa là nó dẫn dòng điện giữa cực thu và cực phát khi có điện áp dương ở gốc. Ngược lại, bóng bán dẫn phía dưới (Q2) là ‘pnp’, nghĩa là nó dẫn dòng điện giữa cực thu và cực phát khi có điện áp âm ở gốc. Nếu bạn đã quen thuộc với điện tử, bạn sẽ nhận thấy có một điểm khác biệt nữa giữa sơ đồ này và Hình 1. Trong Hình 2, loa được kết nối với cực phát của bóng bán dẫn, thay vì cực thu như trong Hình 1. Điều này đòi hỏi toàn bộ quá trình khuếch đại điện áp phải diễn ra trước giai đoạn này, và phần mạch này có nhiệm vụ cung cấp dòng điện cao cho loa. Nhưng đừng lo lắng quá; điều này không ảnh hưởng đến lời giải thích của tôi về các lớp khuếch đại.

Biến dạng chéo

 

Trong cấu hình này, khi điện áp đầu vào cao, bóng bán dẫn Q1 sẽ dẫn điện, đưa điện áp đầu ra gần với điện áp đường ray cung cấp dương. Khi điện áp đầu vào bằng không, không có bóng bán dẫn nào dẫn điện, và đầu ra sẽ ở mức 0 vôn. Khi không có tín hiệu từ bóng bán dẫn, không có dòng điện nào chạy qua loa. Nhưng vì không có điện áp nào giữa các cực của loa, nên loa cũng không yêu cầu bất kỳ dòng điện nào. Đây là một sự trùng hợp tiện lợi.

Mạch class B

Khi điện áp đầu vào thấp, Q2 sẽ dẫn điện, làm cho điện áp đầu ra giảm gần bằng điện áp đường ray cung cấp âm. Như vậy, có thể thấy Q1 xử lý các nửa chu kỳ dương của dạng sóng, còn Q2 xử lý các nửa chu kỳ âm. Đây chính là cách hoạt động của bộ khuếch đại Class B.

Bộ khuếch đại AB, đơn giản hóa

Tuy nhiên, có một vấn đề nhỏ. Một bóng bán dẫn sẽ không dẫn điện nếu điện áp trên đế nhỏ hơn 0,6 vôn (hoặc âm 0,6 vôn đối với bóng bán dẫn pnp). Vì vậy, điện áp đầu vào nằm giữa -0,6 và +0,6 vôn sẽ không đủ để làm cho bất kỳ bóng bán dẫn nào dẫn điện. Hình 3 minh họa kết quả của vấn đề này. Điểm phẳng ở giữa dạng sóng được gọi là ‘biến dạng chéo’, một đặc điểm cố hữu của Class B. May mắn thay, có một giải pháp: ‘phân cực’ đầu vào cho hai bóng bán dẫn, như minh họa trong Hình 4. Hai thành phần mới được thêm vào giữa các đế của bóng bán dẫn là điốt. Chúng có tác dụng giữ cho điện áp trên đế của hai bóng bán dẫn cách nhau 1,2 vôn, giúp loại bỏ 'quán tính' nội tại của bóng bán dẫn. Bây giờ tín hiệu đầu vào chỉ cần một lượng nhỏ thay đổi và các bóng bán dẫn sẽ phản ứng. Mặc dù đây là một sự đơn giản hóa của một mạch thực tế, nhưng nó chỉ khác biệt một chút. Trong mạch thực tế, điện áp giữa các đế của bóng bán dẫn cần được điều chỉnh xa nhau hơn một chút và có thể điều chỉnh để thiết lập ‘dòng điện tĩnh’ (dòng điện không đổi khi không có tín hiệu đầu vào).

Mạch class AB

>>>>>>>>>>SIÊU HOT: CỤC ĐẨY CÔNG SUẤT YAMAHA GIÁ MỀM, CỰC KÌ ƯU ĐÃI

Kiến thức cơ bản về bộ khuếch đại Class D

Bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng nhiều cấu trúc điều chế khác nhau, nhưng cấu trúc cơ bản nhất là điều chế độ rộng xung (PWM) kết hợp với bộ dao động sóng tam giác (hoặc răng cưa). Hình 1 minh họa sơ đồ khối đơn giản của một bộ khuếch đại Class D cầu bán dựa trên PWM. Nó bao gồm một bộ điều chế độ rộng xung, hai MOSFET đầu ra và một bộ lọc thông thấp bên ngoài (L F và CF) để khôi phục tín hiệu âm thanh đã được khuếch đại. Trong sơ đồ này, MOSFET kênh p và kênh n hoạt động như các công tắc điều khiển dòng điện, luân phiên kết nối đầu ra với V DD và đất. Kết quả là, đầu ra của bộ khuếch đại Class D là một sóng vuông tần số cao. Tần số chuyển mạch (f SW) của hầu hết các bộ khuếch đại Class D thường nằm trong khoảng từ 250kHz đến 1,5MHz. Sóng vuông đầu ra được điều chế độ rộng xung bởi tín hiệu âm thanh đầu vào. PWM được thực hiện bằng cách so sánh tín hiệu âm thanh đầu vào với bộ dao động sóng tam giác (hoặc răng cưa) nội bộ. Kiểu điều chế này thường được gọi là “lấy mẫu tự nhiên”, trong đó bộ dao động sóng tam giác hoạt động như một đồng hồ lấy mẫu. Chu kỳ nhiệm vụ của sóng vuông tỷ lệ thuận với mức tín hiệu đầu vào. Khi không có tín hiệu đầu vào, chu kỳ nhiệm vụ của dạng sóng đầu ra là 50%. Hình 2 minh họa dạng sóng đầu ra PWM kết quả do mức tín hiệu đầu vào thay đổi.

Hình 1. Sơ đồ khối chức năng đơn giản này minh họa bộ khuếch đại Class D cầu bán cơ bản.

Để trích xuất tín hiệu âm thanh được khuếch đại từ dạng sóng PWM, đầu ra của bộ khuếch đại Class D được đưa đến bộ lọc thông thấp. Bộ lọc thông thấp LC trong Hình 1 hoạt động như một bộ tích hợp thụ động, giả định rằng tần số cắt của bộ lọc thấp hơn ít nhất một bậc so với tần số chuyển mạch của tầng đầu ra. Bộ lọc này sẽ tạo ra đầu ra bằng giá trị trung bình của sóng vuông. Ngoài ra, bộ lọc thông thấp còn ngăn chặn năng lượng chuyển mạch tần số cao bị tiêu tán trong tải điện trở. Giả sử rằng điện áp đầu ra đã lọc (V O_AVG) và dòng điện (I AVG) vẫn giữ nguyên trong một chu kỳ chuyển mạch duy nhất. Giả định này khá chính xác vì f SW lớn hơn rất nhiều so với tần số âm thanh đầu vào cao nhất. Do đó, mối quan hệ giữa chu kỳ nhiệm vụ và điện áp đầu ra đã lọc có thể được suy ra thông qua phân tích miền thời gian về điện áp và dòng điện của cuộn cảm.

Hình 2. Độ rộng xung tín hiệu đầu ra thay đổi tỷ lệ thuận với biên độ tín hiệu đầu vào.

Dòng điện tức thời chạy qua cuộn cảm là:

Trong đó V L (t) là điện áp tức thời trên cuộn cảm, sử dụng quy ước dấu hiệu thể hiện trong Hình 1.

Vì dòng điện trung bình (I AVG) vào tải được cho là không đổi trong suốt một chu kỳ chuyển mạch, nên dòng điện qua cuộn cảm ở đầu và cuối chu kỳ chuyển mạch (T SW) phải bằng nhau, như minh họa trong Hình 3.

Toán học cho thấy điều này nghĩa là:

Hình 3. Dạng sóng dòng điện và điện áp của cuộn cảm lọc được hiển thị cho bộ khuếch đại Class D cầu bán cơ bản.

Phương trình 2 chỉ ra rằng tích phân của điện áp qua cuộn cảm trong một chu kỳ chuyển mạch phải bằng 0. Bằng cách sử dụng phương trình này và kiểm tra dạng sóng V L (t) như được hiển thị trong Hình 3, rõ ràng là diện tích tuyệt đối của các phần A ON và A OFF phải bằng nhau để phương trình 2 chính xác.

Từ thông tin này, chúng ta có thể suy ra một biểu thức cho điện áp đầu ra đã lọc dựa trên chu kỳ nhiệm vụ của dạng sóng chuyển mạch:

Thay phương trình 4 và 5 vào phương trình 3, ta được phương trình mới:

Cuối cùng, giải V O, ta có:

Trong đó D là chu kỳ nhiệm vụ của dạng sóng chuyển mạch đầu ra.

>>>>>>>>>>LỰA CHỌN SIÊU GIÁ TRỊ: Amply nghe nhạc âm thanh cực đỉnh

Sử dụng phản hồi để cải thiện hiệu suất

Nhiều bộ khuếch đại Class D áp dụng phản hồi tiêu cực từ đầu ra PWM trở lại đầu vào của thiết bị. Cách tiếp cận vòng kín này không chỉ cải thiện tính tuyến tính của thiết bị mà còn giúp loại bỏ các biến đổi từ nguồn điện. Điều này hoàn toàn trái ngược với các bộ khuếch đại vòng hở, vốn có khả năng loại bỏ biến đổi nguồn điện rất thấp (nếu có). Trong cấu trúc vòng kín, dạng sóng đầu ra được cảm nhận và phản hồi về đầu vào của bộ khuếch đại, cho phép phát hiện và hiệu chỉnh các lệch điện áp từ đường ray cung cấp. Ưu điểm của thiết kế vòng kín là tăng tính tuyến tính, nhưng phải đánh đổi bằng những thách thức về độ ổn định. Vì vậy, vòng điều khiển phải được thiết kế và bù đắp cẩn thận để đảm bảo ổn định trong mọi điều kiện vận hành.

Bộ khuếch đại Class D thông thường vận hành với vòng phản hồi định hình nhiễu, giúp giảm nhiễu trong băng tần do tính phi tuyến của bộ điều chế độ rộng xung, tầng đầu ra và độ lệch điện áp cung cấp. Kiểu cấu trúc này khá giống với định hình nhiễu trong bộ điều chế sigma-delta. Để minh họa cho chức năng định hình nhiễu, Hình 4 hiển thị sơ đồ khối đơn giản hóa của bộ định hình nhiễu bậc 1. Mạng phản hồi thường bao gồm mạng chia điện trở, nhưng để đơn giản, trong Hình 4 sử dụng tỷ lệ phản hồi là 1. Ngoài ra, hàm truyền cho bộ tích hợp đã được đơn giản hóa thành 1/s vì độ lợi của bộ tích hợp lý tưởng tỉ lệ nghịch với tần số. Người ta cũng cho rằng khối PWM có độ lợi đơn vị và không đóng góp dịch pha vào vòng điều khiển. Sử dụng phân tích khối điều khiển cơ bản, có thể suy ra biểu thức sau cho đầu ra:

Hình 4. Vòng điều khiển với khả năng định hình nhiễu bậc 1 cho bộ khuếch đại Class D đẩy hầu hết nhiễu ra khỏi băng tần.

 Phương trình 8 cho thấy rằng thành phần nhiễu, En(s), được nhân với một hàm lọc thông cao (hàm truyền nhiễu), trong khi thành phần đầu vào, VIN(s), được nhân với một hàm lọc thông thấp (hàm truyền tín hiệu). Đáp ứng lọc thông cao của hàm truyền nhiễu giúp định hình nhiễu của bộ khuếch đại Class D. Nếu tần số cắt của bộ lọc đầu ra được chọn đúng, phần lớn nhiễu sẽ được đẩy ra khỏi băng tần (Hình 4). Mặc dù ví dụ trước chỉ đề cập đến bộ định hình nhiễu bậc 1, nhiều bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng cấu trúc định hình nhiễu đa bậc để tối ưu hóa thêm tính tuyến tính và khả năng loại bỏ ảnh hưởng từ nguồn điện.

Cấu trúc lớp D - Cầu nửa so với Cầu toàn

Nhiều bộ khuếch đại Class D cũng áp dụng tầng đầu ra cầu toàn phần. Cầu toàn phần sử dụng hai tầng cầu bán phần để điều khiển tải khác biệt, một kết nối thường được gọi là tải liên kết cầu (BTL). Như minh họa trong Hình 5, cấu hình cầu toàn phần hoạt động bằng cách luân phiên đường dẫn qua tải. Điều này cho phép dòng điện hai chiều chạy qua tải mà không cần nguồn cung cấp âm hoặc tụ điện chặn DC.

Hình 5. Tầng đầu ra Class D cầu toàn truyền thống sử dụng hai tầng cầu nửa để điều khiển tải khác nhau.

Hình 6 minh họa dạng sóng đầu ra của bộ khuếch đại BTL truyền thống dựa trên PWM, Class D. Trong Hình 6, các dạng sóng đầu ra bổ sung lẫn nhau, tạo ra tín hiệu PWM khác biệt trên tải. Tương tự như cấu trúc cầu bán phần, cần có bộ lọc LC bên ngoài ở đầu ra để trích xuất tín hiệu âm thanh tần số thấp và ngăn ngừa sự tiêu tán của năng lượng tần số cao trong tải.

Hình 6. Các dạng sóng đầu ra Class D truyền thống bổ sung cho nhau, do đó tạo ra tín hiệu PWM khác biệt trên toàn bộ tải.

Bộ khuếch đại Class D toàn cầu có cùng ưu điểm như bộ khuếch đại BTL Class AB, nhưng lại có hiệu suất công suất cao hơn. Ưu điểm đầu tiên của bộ khuếch đại BTL là chúng không cần tụ điện chặn DC ở đầu ra khi hoạt động từ một nguồn cung cấp duy nhất. Điều này không đúng với bộ khuếch đại nửa cầu, vì đầu ra của nó dao động giữa V DD và đất và không tải ở chu kỳ nhiệm vụ 50%, dẫn đến độ lệch DC bằng V DD /2. Trong bộ khuếch đại toàn cầu, độ lệch này xuất hiện ở mỗi bên của tải, đảm bảo không có dòng điện DC nào chạy qua đầu ra. Ưu điểm thứ hai của chúng là khả năng đạt được độ dao động tín hiệu đầu ra gấp đôi so với bộ khuếch đại nửa cầu có cùng điện áp cung cấp, nhờ vào việc điều khiển khác biệt tải. Điều này làm cho công suất đầu ra tối đa tăng gấp 4 lần so với bộ khuếch đại nửa cầu hoạt động từ cùng một nguồn cung cấp.

Mặc dù bộ khuếch đại Class D cầu toàn phần yêu cầu số công tắc MOSFET gấp đôi so với cấu trúc nửa cầu, một số người cho rằng điều này là một bất lợi. Nhiều công tắc hơn thường dẫn đến nhiều tổn thất dẫn điện và chuyển mạch hơn. Tuy nhiên, điều này thường chỉ áp dụng đối với các bộ khuếch đại có công suất đầu ra cao (> 10W) do liên quan đến dòng điện đầu ra và điện áp cung cấp cao hơn. Vì vậy, bộ khuếch đại nửa cầu thường được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao do có lợi thế về hiệu suất nhỏ. Hầu hết các bộ khuếch đại Class D cầu toàn phần công suất cao cho thấy hiệu suất công suất nằm trong khoảng từ 80% đến 88% với tải 8Ω. Trong khi đó, các bộ khuếch đại nửa cầu như MAX9742 có thể đạt hiệu suất công suất lớn hơn 90%, cung cấp hơn 14W trên mỗi kênh vào 8Ω.

Loại bỏ bộ lọc đầu ra - Điều chế không có bộ lọc

Một trong những hạn chế lớn của bộ khuếch đại Class D truyền thống là yêu cầu cần có bộ lọc LC bên ngoài. Điều này không chỉ làm tăng chi phí và chiếm không gian trên bo mạch mà còn có thể gây ra méo tiếng do tính phi tuyến của các thành phần bộ lọc. May mắn thay, nhiều bộ khuếch đại Class D hiện đại đã áp dụng các kỹ thuật điều chế “không có bộ lọc” tiên tiến, nhằm loại bỏ hoặc giảm thiểu nhu cầu về bộ lọc bên ngoài.

Hình 7 minh họa một sơ đồ chức năng đơn giản của cấu trúc bộ điều biến không có bộ lọc MAX9700. Khác với bộ khuếch đại PWM BTL truyền thống, mỗi nửa cầu trong cấu trúc này có bộ so sánh chuyên dụng riêng, cho phép kiểm soát độc lập các đầu ra. Bộ điều biến được điều khiển bởi tín hiệu âm thanh vi sai và dạng sóng răng cưa tần số cao.Khi cả hai đầu ra của bộ so sánh đều thấp, đầu ra của mỗi bộ khuếch đại Class D đều cao. Đồng thời, đầu ra của cổng NOR tăng cao nhưng bị trễ bởi mạch RC (gồm R ON và C ON). Khi đầu ra trễ của cổng NOR vượt qua ngưỡng đã chỉ định, các công tắc SW1 và SW2 sẽ đóng lại, làm cho OUT+ và OUT- xuống thấp và duy trì như vậy cho đến khi chu kỳ lấy mẫu tiếp theo bắt đầu. Cấu trúc này đảm bảo rằng cả hai đầu ra đều bật trong một khoảng thời gian tối thiểu (t ON(MIN)), được xác định bởi các giá trị của R ON và C ON. Như Hình 8 minh họa, với đầu vào bằng không, các đầu ra sẽ cùng pha với độ rộng xung bằng t ON(MIN). Khi tín hiệu âm thanh đầu vào tăng hoặc giảm, một bộ so sánh sẽ ngắt trước bộ kia. Hành vi này, cùng với mạch thời gian bật tối thiểu, làm cho một đầu ra thay đổi độ rộng xung trong khi độ rộng xung của đầu ra kia vẫn giữ nguyên ở t ON(MIN) (Hình 8). Điều này có nghĩa là giá trị trung bình của mỗi đầu ra chứa phiên bản chỉnh lưu nửa sóng của tín hiệu âm thanh đầu vào. Hiệu số của các giá trị trung bình của các đầu ra sẽ tạo thành dạng sóng âm thanh hoàn chỉnh.

Hình 7. Sơ đồ chức năng đơn giản này cho thấy địa hình bộ điều biến Class D không có bộ lọc của MAX9700.

Hình 8. Dạng sóng đầu vào và đầu ra được hiển thị cho địa hình bộ điều chế không có bộ lọc của MAX9700.

Khi MAX9700 ở chế độ nhàn rỗi và tín hiệu đầu ra cùng pha, không có điện áp vi sai nào được đặt lên tải, do đó giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng tĩnh mà không cần đến bộ lọc ngoài. Thay vì phụ thuộc vào bộ lọc LC ngoài để trích xuất tín hiệu âm thanh, bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc của Maxim dựa vào độ tự cảm tự nhiên của tải loa và khả năng nghe của con người để phục hồi tín hiệu âm thanh. Điện trở loa (R E) và độ tự cảm (L E) tạo thành một bộ lọc thông thấp bậc 1 với tần số cắt được tính toán là:

Đối với hầu hết các loa, độ suy giảm bậc 1 này đủ để phục hồi tín hiệu âm thanh và ngăn chặn sự tiêu tán năng lượng chuyển mạch tần số cao trong điện trở loa. Ngay cả khi có một số năng lượng chuyển mạch còn lại dẫn đến chuyển động của loa, những tần số này không thể nghe được bởi tai người và sẽ không ảnh hưởng xấu đến trải nghiệm nghe. Khi sử dụng bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc, tải loa phải duy trì độ tự cảm tại tần số chuyển mạch của bộ khuếch đại để đạt được hiệu suất công suất đầu ra tối đa.

Giảm thiểu EMI bằng cách điều chế phổ trải rộng

Một hạn chế của việc sử dụng bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc là khả năng bức xạ EMI từ dây loa. Vì dạng sóng đầu ra của bộ khuếch đại Class D là sóng vuông tần số cao với các cạnh chuyển tiếp nhanh, phổ đầu ra chứa một lượng lớn năng lượng ở tần số chuyển mạch và các bội số của tần số này. Nếu không có bộ lọc đầu ra nằm gần thiết bị, năng lượng tần số cao này có thể bị bức xạ bởi dây loa.Bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc của Maxim giảm thiểu các vấn đề EMI tiềm ẩn bằng cách sử dụng một sơ đồ điều chế được gọi là điều chế phổ trải rộng. Điều chế phổ trải rộng được thực hiện bằng cách dithering hoặc ngẫu nhiên hóa tần số chuyển mạch của bộ khuếch đại Class D. Tần số chuyển mạch thường biến đổi trong khoảng ±10% so với tần số chuyển mạch danh nghĩa. Mặc dù chu kỳ của dạng sóng chuyển mạch thay đổi ngẫu nhiên mỗi chu kỳ, chu kỳ nhiệm vụ không bị ảnh hưởng, do đó bảo toàn nội dung âm thanh của dạng sóng chuyển mạch.

Hình 9a và 9b hiển thị phổ đầu ra băng thông rộng của MAX9700 để minh họa các hiệu ứng của điều chế phổ trải rộng. Thay vì tập trung năng lượng phổ ở tần số chuyển mạch và các sóng hài của nó, điều chế phổ trải rộng thực sự phân tán năng lượng phổ của tín hiệu đầu ra. Tổng lượng năng lượng trong phổ đầu ra vẫn giữ nguyên, nhưng được phân phối lại trên một băng thông rộng hơn. Điều này làm giảm các đỉnh năng lượng tần số cao tại các đầu ra, giảm thiểu khả năng EMI bức xạ từ dây loa. Mặc dù một số nhiễu quang phổ có thể được phân bổ lại vào băng tần âm thanh với điều chế phổ trải rộng, nhưng nhiễu này sẽ bị loại bỏ bởi chức năng định hình nhiễu của vòng phản hồi.

Hình 9a. Phổ đầu ra băng thông rộng được hiển thị cho MAX9700 sử dụng tần số chuyển mạch cố định.

 

Hình 9b. Điều chế phổ trải rộng phân phối lại năng lượng phổ của MAX9700 trên băng thông rộng hơn.

 

Nhiều bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc của Maxim còn cho phép đồng bộ hóa tần số chuyển mạch với tín hiệu xung nhịp bên ngoài. Điều này giúp người dùng dễ dàng thiết lập tần số chuyển mạch của bộ khuếch đại vào các dải tần ít nhạy hơn, giảm thiểu tác động của EMI và tối ưu hóa hiệu suất âm thanh. Dù điều chế phổ trải rộng có thể cải thiện đáng kể hiệu suất EMI của bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc, nhưng có một giới hạn thực tế về độ dài của cáp loa trước khi thiết bị không thể đáp ứng các quy định phát xạ bức xạ của FCC hoặc CE. Nếu thiết bị không vượt qua các bài kiểm tra phát xạ bức xạ do cáp loa dài, thì một bộ lọc đầu ra bên ngoài có thể cần để giảm thiểu thêm các thành phần tần số cao của dạng sóng đầu ra. Trong nhiều ứng dụng với chiều dài cáp loa vừa phải, các bộ lọc hạt ferit và tụ điện trên đầu ra sẽ đủ để đạt được mục tiêu. Tuy nhiên, hiệu suất EMI cũng rất nhạy cảm với bố trí PCB. Vì vậy, cần tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn về bố trí PCB để đảm bảo tuân thủ các quy định hiện hành của FCC và CE.

>>>>>>>>>>THAM KHẢO NGAY: AMPLY TRUYỀN THANH GIÁ SIÊU NÉT

Những hạn chế của Class D.

Nếu Class D hoàn hảo, nó sẽ phổ biến rộng rãi và không còn loại bộ khuếch đại nào khác được sử dụng phổ biến. Tuy nhiên, có ba vấn đề chính với bộ khuếch đại Class D. Trước tiên, hãy đặt câu hỏi: làm thế nào để tạo ra một máy phát vô tuyến hiệu quả? Câu trả lời là: bắt đầu với bộ khuếch đại âm thanh Class D. Đúng vậy, tần số cao của Class D dễ dàng lan truyền dưới dạng sóng vô tuyến, gây nhiễu cho máy thu vô tuyến và các thiết bị khác. Bạn có thể nghĩ rằng giải pháp là bao bọc bộ khuếch đại trong một vỏ thép chắc chắn, nhưng vấn đề thực sự nằm ở cáp. Bộ lọc được thiết kế để loại bỏ các thành phần tần số cao và chỉ để lại tín hiệu âm thanh, nhưng độ dốc của bộ lọc khá nông (6dB hoặc 12dB trên mỗi quãng tám), dẫn đến nhiều năng lượng RF vẫn thoát ra ngoài. Dù các nhà sản xuất đã nỗ lực cải thiện, nhưng đây là một vấn đề vốn có của Class D.

Thứ hai, công nghệ Class TD của Lab Gruppen mở rộng Class D với hiệu suất âm thanh tương đương Class AB, nhưng vượt trội về hiệu quả và trọng lượng nhẹ. Tuy nhiên, vấn đề thứ hai là bộ lọc thụ động. Bộ lọc này được tạo thành từ tụ điện và cuộn cảm, dự kiến sẽ thấy một tải nhất định. Ngay cả khi chỉ xét đến điện trở của loa và bỏ qua điện dung và độ tự cảm của nó, loa có trở kháng danh nghĩa 2Ω, 4Ω và 8Ω làm cho bộ lọc hoạt động khác nhau. Khi tính đến điện dung và độ tự cảm, trở kháng sẽ thay đổi theo tần số, khiến cho việc thiết kế bộ lọc trở nên phức tạp hơn.

Thứ ba, bộ khuếch đại Class D có hệ số giảm chấn tương đối kém. Hệ số giảm chấn là tỷ lệ trở kháng của loa với trở kháng đầu ra của bộ khuếch đại, và nó đo mức độ bộ khuếch đại có thể kiểm soát chuyển động của màng loa. Một bộ khuếch đại tốt không chỉ đẩy màng loa mà còn cảm nhận vị trí và kiểm soát vị trí của nó. Để làm được điều đó, cần một hệ số giảm chấn cao, nhưng bộ khuếch đại Class D đơn giản có hệ số giảm chấn thấp. Công nghệ tiên tiến có thể cải thiện những vấn đề này, nhưng vì chúng, bộ khuếch đại Class D chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng mà hiệu suất, trọng lượng và kích thước nhỏ quan trọng, như âm thanh trực tiếp, âm thanh trong xe hơi và hệ thống di động nhỏ gọn. Ví dụ, Yamaha sử dụng tầng đầu ra Class D trong loa trầm BBT 500H, với công suất 500 watt và trọng lượng chưa đến 5 kg.

Tần số chuyển mạch của bộ khuếch đại Class D phải rất cao để đạt được độ phân giải cần thiết, thường khoảng 300kHz (gấp 15 lần tần số âm thanh cao nhất). Dải động và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của Class D được điều khiển bởi tần số chuyển mạch — càng cao càng tốt. Tuy nhiên, tăng tần số chuyển mạch làm giảm hiệu suất, vì điện áp cần thời gian để dao động và trong thời gian đó, một số điện năng bị tiêu tán. Hiệu suất của bộ khuếch đại Class D có thể đạt hơn 90%, tốt hơn so với thiết kế Class AB (tối đa 78,5% và thường gần 50%).

Quay lại vấn đề chính, vì bộ khuếch đại Class D hiệu quả hơn bộ khuếch đại Class AB thông thường, nên nó có thể nhẹ hơn. Và tóm lại, đó là lý do tại sao Class D tồn tại. Nhẹ hơn cũng dẫn đến nhỏ hơn, và để đạt được tốc độ chuyển mạch cao cần thiết, mạch điện phải nhỏ về mặt vật lý. Khi nhìn vào bên trong bộ khuếch đại Class D, bạn sẽ thấy một chiếc máy biến áp.

KẾT LUẬN

Những tiến bộ gần đây trong kỹ thuật điều chế Class D đã cho phép bộ khuếch đại Class D phát triển mạnh mẽ trong các ứng dụng mà trước đây bộ khuếch đại tuyến tính từng chiếm ưu thế. Bộ khuếch đại Class D hiện đại kết hợp tất cả các ưu điểm của bộ khuếch đại Class AB, như độ tuyến tính tốt và yêu cầu không gian bo mạch tối thiểu, cùng với hiệu suất công suất cao. Hiện nay, có rất nhiều bộ khuếch đại Class D đáp ứng đa dạng các ứng dụng.

Các ứng dụng này bao gồm các thiết bị di động công suất thấp như điện thoại di động và máy tính xách tay, nơi tuổi thọ pin, không gian bo mạch và khả năng tuân thủ EMI là vô cùng quan trọng. Ngoài ra, các ứng dụng công suất cao như hệ thống âm thanh ô tô và màn hình phẳng cũng sử dụng bộ khuếch đại Class D để giảm thiểu yêu cầu tản nhiệt và tỏa nhiệt.

Việc hiểu biết cơ bản về bộ khuếch đại Class D và những tiến bộ công nghệ gần đây của chúng sẽ giúp các nhà thiết kế lựa chọn bộ khuếch đại phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Điều này cho phép họ cân nhắc thành công những ưu điểm và nhược điểm của các tính năng của Class D.

CÔNG TY ÂM THANH ÁNH SÁNG VIỆT HƯNG - VIỆT HƯNG AUDIO

·         Trụ sở chính: Số 8/486 Xuân Đỉnh, phường Xuân Đỉnh, quận Bắc Từ Liêm, thành phố Hà Nội

·         Chi nhánh:

·         Số 1039 Cách Mạng Tháng 8, Phường 7, Quận Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh.

·         Số 515 Âu Cơ, quận Liên Chiểu, Thành phố Đà Nẵng

·         Hotline: 0988 970 666; 0944 970 666; 096 374 2828

·         Website: https://vinasound.com

>>>> VIỆT HƯNG AUDIO XIN TRÂN TRỌNG CẢM ƠN VÀ HÂN HẠNH ĐƯỢC VINH DỰ PHỤC VỤ, HỢP TÁC VỚI QUÝ KHÁCH HÀNG