Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Arrow Multisolution Day
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D

ghost666 10 Wrz 2015 17:07 2358 0
  • W artykule tłumaczonym jakiś czas temu przedstawione zostały zasady dotyczące poprawnego projektowania płytek drukowanych dla scalonych wzmacniaczy klasy D. Skoro jednak chcemy projektować płytkę drukowaną dla takiego układu, musimy wcześniej pochylić się nad projektem niezwykle istotnego dla tych wzmacniaczy filtra wyjściowego.

    Wzmacniacze klasy D generalnie na wyjściu wykorzystują filtr dolnoprzepustowy do odfiltrowania szumów przełączania tranzystorów i innych sygnałów wysokoczęstotliwościowych, pochodzących z działania tego układu. Inżynierowie projektujący tego rodzaju układy są jednakże często nieświadomi funkcji, jakie pełnią poszczególne komponenty wewnątrz filtra i nie wiedzą jak wyznaczyć ich wartości. Poniższy artykuł wprowadza w niuanse projektowania filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D.

    Opisywane powyżej filtry są, zasadniczo, dolnoprzepustowymi filtrami L-C. Ich częstotliwość graniczna dobrana jest tak, aby filtr miał minimalny wpływ na przenoszony, pożądany sygnał (np. dźwięk), a jednocześnie tłumił w szerokim pasmie zakłócenia i szum 'cyfrowy' o wysokiej częstotliwości.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    Filtr dolnoprzepustowy

    Optymalną wartość indukcyjności w zaprezentowanym filtrze dobieramy jako:

    L = RL/2πfC


    gdzie fC to ustalona w projekcie częstotliwość graniczna filtra, a RL to rezystancja obciążenia (głośnika). Oznacza to, że wartość indukcyjności zależna jest od założonej częstotliwości i impedancji obciążenia, więc przy zmianie impedancji głośnika należy zmienić także indukcyjność w filtrze.

    Praktyczne realizacje systemów wymagają wykorzystywania wartości elementów z szeregu, co oznacza, że bardzo często wartość indukcyjności i pojemności elementów odbiegać będzie od wyznaczonej. Aby ułatwić sobie życie należy wartości pojemności i indukcyjności wyznaczać wspólnie, co ułatwi ich dobranie z szeregu. Najlepiej jest wyznaczyć optymalną wartość indukcyjności, dobrać najbliższą z szeregu i wyznaczyć dla niej wartość pojemności, zgodnie ze wzorem:

    C = 1/((2πfC)2 × L)


    Dobroć filtra (Q) to stosunek długości środkowej do szerokości pasma filtra i opisana jest wzorem:

    Q = RLv(C/2L)


    Filtr o wysokim Q daje krzywą nietłumioną dostatecznie, a zbyt niskie Q prowadzi do nadmiernego tłumienia. Zasadniczo zaleca się aby 0,6 > Q > 0,8 aby uniknąć niepożądanych zachowań. Pozwala to także na łatwiejszą zmianę impedancji obciążenia, bez zmiany charakterystyki filtra. Impedancja obciążenia ma wpływ na dobroć, co oznacza, że należy upewnić się, że dobroć mieści się w okolicach 0,7 dla każdej planowanej dla układu impedancji.





    Dobór elementów

    Ważnym jest, aby nie tylko wyznaczyć poprawne wartości elementów LC w układzie, ale także dobrać odpowiednie elementy spośród wielu różnych ich rodzajów. Pozwoli to na zminimalizowanie zniekształceń harmonicznych generowanych przez filtr wyjściowy układu.

    Prąd DC na jaki produkowana jest cewka filtra musi być niemniejszy niż maksymalny prąd wyjściowy układu. Zmiana indukcyjności w funkcji prądu nie powinna przekraczać 10%. Materiał rdzenia cewki może mieć wpływ na zniekształcenia harmoniczne układu, zatem sugeruje się wybranie cewki o bardzo małej histerezie.

    Kondensator najlepiej wybrać spośród wielowarstwowych kondensatorów poliestrowych, polipropylenowych lub poliwęglanowych. Sugeruje się unikanie korzystania z kondensatorów ceramicznych, jako że wykazują one spore wahania pojemności w funkcji napięcia. Duża zmiana pojemności podczas zmiany napięcia na okładkach kondensatora filtra przełożyć się może na poważne zniekształcenia sygnału.

    Wyjście niesymetryczne

    Duża ilość projektów wykorzystuje niesymetryczne wyjścia z uwagi na zmniejszoną liczbę tranzystorów w porównaniu do mostka, a scalone wzmacniacze klasy D wykorzystują tylko jeden, a nie dwa, piny wyjściowe.

    Topologia niesymetryczna ma szereg wad, w porównaniu do mostka (BTL). Po pierwsze wyjście takie wymaga napięcie symetrycznego - dodatniego i ujemnego - lub kondensatora blokującego napięcie stałe na wyjściu. Jeśli korzysta się z takiego kondensatora, jego pojemność musi być duża, aby dobrze przenosił on niskie częstotliwości. Aby uzyskać pasmo (-3 dB) od 20 Hz dla głośnika 8 Ω pojemność musi wynosić 1000 µF.

    Kondensator wyjściowy powoduje słyszalne 'pyknięcie' wyjścia, jako że ładuje się on do połowy napięcia zasilania podczas pracy układu i rozładowuje przez głośnik po jego wyłączeniu. Jednym z rozwiązań tego problemu jest ładowanie podczas włączenia układu kondensatora do VCC/2 poprzez dzielnik oporowy niskim prądem. Eliminuje bądź minimalizuje to 'pyknięcie' podczas załączenia urządzenia.

    Jeśli wzmacniacz nie jest wyposażony w sprzężenie zwrotne PSRR może stanowić problem. Z dwóch kondensatorów blokujących napięcie DC na wyjściu uformować można dzielnik napięcia AC o niskiej impedancji, co pozwala zwiększyć PSRR układu. Dodatkowo, dzięki ich równoległemu połączeniu, każdy z nich musi mieć tylko połowę wymaganej pojemności.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D
    Wzmacniacz niesymetryczny z kondensatorem blokującym DC na wyjściu

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D
    Wzmacniacz niesymetryczny z dzielnikiem minimalizującym 'pyknięcie' podczas załączania

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D
    Wzmacniacz niesymetryczny z dzieloną pojemnością wyjściową, poprawiającą PSRR układu


    Wyjście mostkowe (BTL)

    Wzmacniacze z zmostkowanym wyjściem są popularne, ponieważ nawet przy pracy z pojedynczym napięciem zasilającym nie wymagają dużego kondensatora do blokowania napięcia stałego na wyjściu. Architektura BTL posiada jeszcze szereg innych zalet. Moc wyjściowa mostka może być czterokrotnie większa niż zwykłego, niesymetrycznego wzmacniacza z uwagi na to, że maksymalne napięcie międzyszczytowe na wyjściu wynosi dwukrotność napięcia zasilania. Jest to ogromna zaleta w układach o ograniczonym napięciu zasilania, np. w aplikacjach zasilanych bateryjnie.

    Filtr napięcia współbieżnego

    Asymetryczne filtry LC to takie, gdzie jedna strona kondensatora jest na potencjale masy. Indukcyjność umieszczana jest szeregowo z wyjściem, a kondensator połączony jest pomiędzy wyjście a masę. Jako że wzmacniacze niesymetryczne mają jedną okładkę kondensatora na masie to ich filtry są asymetryczne.

    W przypadku pracy z wzmacniaczem BTL filtr pokazany na pierwszym schemacie byłby filtrem różnicowym, jako że filtruje on sygnał pomiędzy dwoma wyjściami. Filtry asymetryczne dla wzmacniaczy z zmostkowanym wyjściem mają inną architekturę niż filtry różnicowe. Indukcyjność filtra dla układu BTL dzielona jest na dwie osobne cewki, każda szeregowo z jednym z wyjść. Ich indukcyjności są równe połowie całkowitej wymaganej indukcyjności filtra dolnoprzepustowego.

    Ponieważ pojemność takiego filtra jest złożona z dwóch szeregowo połączonych pojemności, każdy kondensator musi mieć pojemność równą podwojonej pojemności wymaganej dla danej częstotliwości. Dzięki temu częstotliwość rezonansowa filtra asymetrycznego będzie taka sama jak filtra różnicowego.

    fC = 1/(2π√(LTCT)) = 1/(2π√(½LT • 2CT))


    W najprostszym filtrze asymetrycznym jest tylko cewka i kondensator do masy (patrz schemat poniżej). Daje to idealne tłumienie wysokich częstotliwości, jednakże filtr taki ma także nietłumioną odpowiedź współbieżną, co powodować może powstawanie oscylacji. Filtr taki charakteryzuje się także dużym prądem płynącym przez jego elementy. Impedancja cewki i kondensatora 'znoszą się' dla częstotliwości rezonansowej, co powoduje, że prąd ograniczają tylko otaczające elementy - impedancja wyjściowa wzmacniacza i rezystancja stałoprądowa cewki.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    Aby poprawnie wytłumić współbieżną odpowiedź filtra trzeba do niego dodać rezystancję, zazwyczaj dodaje się opornik pomiędzy kondensatorem a masą, jednakże dodanie tego elementu powoduje powstanie miejsca zerowego w funkcji przejścia układu, co zmniejsza efektywność tłumienia wyższych częstotliwości. Na poniższym wykresie odpowiedzi filtra widać efekty dodania tego opornika - amplituda dla częstotliwości zostaje zmniejszona, ale tłumienie dla wysokich częstotliwości także spada.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    Z uwagi na powyższe zachowanie układu dodaje się drugi kondensator równolegle z dodanym opornikiem, tak aby wytworzyć w funkcji przejścia biegun powyżej częstotliwości rezonansowej filtra. Redukuje on wpływ miejsca zerowego wygenerowanego przez opornik i poprawia tłumienie wysokich częstotliwości. Odpowiedź częstotliwościową takiego filtra pokazano na poniższym wykresie. Warto zwrócić uwagę na fakt, że amplituda przy częstotliwości rezonansowej filtra LC nadal jest niższa niż w pierwotnym projekcie, a tłumienie wysokich częstotliwości znacznie lepsze niż przed dodaniem tego elementu.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    Wyznaczanie wartości elementów dla tego rodzaju filtra jest dosyć proste. Całkowita induktancja i pojemność elementów filtra pozostaje taka sama jak dla filtra różnicowego:

    LT = RL/(2πfC)
    CT = 1/((2πfC)2 • (LT))


    Ponieważ induktancja dla wyjścia BTL dzielona jest na dwa szeregowe elementy, wartość induktancji każdej z cewek musi być równa połowie całkowitej induktancji wyznaczonej z powyższego wzoru:

    L1 = L2 = ½LT = RL/(4πfC)


    Analogicznie, pojemność filtra dzielona jest na dwa szeregowe kondensatory, więc ich pojemność wynosić musi dwukrotność wymaganej pojemności:

    C1 = C2 = C3 = C4 = 2/((2πfC)2 • LT) = 1/((2πfC)2 • L1)


    Wartość opornika w filtrze wyznaczyć możemy jako:

    R1 = R2 = 1/(√2 • 2πfCC1)


    Użycie takiej wartości opornika zapewni, że zero wystąpi poniżej częstotliwości rezonansowej filtra LC, a biegun powyżej tej częstotliwości, przez co opornik może spełniać powierzoną mu rolę.

    Wykorzystanie filtra o takiej architekturze ma jeszcze jeden pozytywny efekt. Odpowiedź filtra różnicowego jest tłumiona przez obciążenie (głośnik) na wyjściu układu. Oznacza to, że podczas pracy bez obciążenia wyjście jest bardzo słabo tłumione. Wykorzystanie filtra z opornikami zapewni, że układu zawsze zachowywać będzie się poprawnie, niezależnie od podłączonego doń głośnika.

    Filtry hybrydowe

    Kondensatory wymienionych wyżej typów są dosyć drogimi elementami, więc zwiększanie ilości ich w systemie z jednego do finalnie czterech ma kiepski wpływ na ekonomię układu. Jest jednakże możliwe zmniejszenie kosztów konstrukcji filtra wyjściowego do poziomy podobnego do pierwszej, podstawowej wersji dolnoprzepustowego filtra LC, jednocześnie zapewniając dobre jego działanie.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    Filtr hybrydowy ma rozdzieloną indukcyjność i układ RC pomiędzy terminalami głośnika i masą, podobnie jak filtr asymetryczny. Dodatkowo kondensator umieszczony równolegle z głośnikiem pełni rolę różnicowego filtra dolnoprzepustowego. Na pierwszy rzut oka wydawać się może, że układ ten zwiększa ilość kondensatorów do pięciu, jednakże całkowity koszt takiego filtra jest mniejszy, ponieważ możliwe jest zwiększenie pojemności jednego kondensatora - umieszczonego równolegle z obciążeniem - a zmniejszenie pojemności pozostałych. Dodatkowo, tylko ten ostatni kondensator musi być metalizowany. Pozostałe kondensatory mogą być ceramiczne z dielektrykiem np. X7R. Zmniejsza to koszt filtra wyjściowe przy jednoczesnym zachowaniu zalet opisanego wyżej filtra asymetrycznego dla układów BTL. Niestety filtr hybrydowy ma także kilka wad:

    1) Tłumienie różnicowe jest takie same jak w normalnym filtrze, ale asymetryczne już znacznie gorsze. Ponieważ kondensatory w asymetrycznych filtrach w układzie mają znacznie mniejsze pojemności, częstotliwość graniczna filtrów jest wyżej, co przekłada się na słabsze tłumienie wysokich częstotliwości:

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    2) Tłumienie różnicowe w sytuacji braku obciążenia nie jest tak dobre jak w droższym rozwiązaniu, ponieważ znaczny prąd płynie wtedy przez piąty kondensator. Należy zapewnić dostateczne tłumienie, bez obciążenia, w układzie, aby zabezpieczyć działanie wzmacniacz.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    3) Zniekształcenia harmoniczne w filtrze hybrydowym będą wyraźnie większe niż w klasycznym rozwiązaniu, ponieważ kondensatory ceramiczne zapewniają część pojemności filtra, a mają one gorsze parametry niż metalizowane kondensatory, jeśli chodzi o poziom zniekształceń harmonicznych.

    Niezależnie od tych wad, filtry hybrydowe zapewniają szereg zalet, z których główną jest zmniejszenie kosztów filtra, bez wyraźnego pogarszania parametrów układu.

    Jak można się spodziewać, obliczanie wartości poszczególnych elementów dla filtra hybrydowego jest trudniejsze, ponieważ dobieranie elementów wymaga pewnych poświęceń. Aby zapewnić sobie możliwie niski poziom zniekształceń harmonicznych, pojemność kondensatorów ceramicznych w układzie musi być mniejsza niż pojemność metalizowanego kondensatora umieszczonego równolegle z obciążeniem.

    Z drugiej jednakże strony zmniejszenie pojemności kondensatorów ceramicznych zbyt mocno zmniejszy tłumienie sygnałów EMI, szczególnie przy braku obciążenia. Producenci zazwyczaj podają w karcie katalogowej rekomendowane wartości elementów filtrów hybrydowych dla typowych impedancji głośników.

    Filtr hybrydowe i wzmacniacze niesymetryczne

    Filtry hybrydowe dla wzmacniaczy niesymetrycznych różnią się od tych z wyjściem BTL nieznacznie. Przy wysokich częstotliwościach impedancja C1 jest znacznie mniejsza niż szeregowe połączenie C2 i C2. Oznacza to, że kondensator C3 nie jest potrzebny w takim układzie.

    Projektowanie filtrów wyjściowych dla wzmacniaczy klasy D


    Snubbery

    Podczas przełączaniu wyjścia wzmacniacza klasy D występuje pewien czas martwy pomiędzy wyłączeniem jednego, a włączeniem drugiego tranzystora. Czas martwy jest potrzebny do ochrony przed załączeniem obu tranzystorów naraz, co uszkodziło by układ. Jednakże przerwy w płynięciu prądu przez indukcyjności spowodowane czasem martwym są problematyczne. Snubbery zapewniają inną drogę dla prądu cewek.

    Istnieją dwa typy snubberów. Wzmacniacza z zmostkowanym wyjście wykorzystywać mogą snubbery różnicowe, złożone z pojedynczego rezystora i kondensatora umieszczonych równolegle pomiędzy wyjściami wzmacniacz. Snubbery asymetryczne łączą szeregowo przed kondensator i rezystor wyjście do mas - mogą one być wykorzystywane z asymetrycznymi i zmostkowanymi wzmacniaczami.

    Snubbery drugiego rodzaju, dla wzmacniaczy BTL wymagają dwa razy więcej elementów niż różnicowe, jednakże zmniejszają poziom zniekształceń harmonicznych. Wykorzystanie konkretnego snubbera zależne jest od konkretnej aplikacji. Producent wzmacniacza rekomenduje w karcie katalogowej konkretną architekturę i parametry elementów snubbera.

    Wzmacniacze bezfiltrowe

    Opis projektowania filtrów dla wzmacniaczy klasy D nie byłby kompletny bez wspomnienia o konstrukcjach nie wymagających filtra. Zadaniem filtrów wyjściowych jest minimalizacja EMI, jednakże można wykorzystywać wzmacniacz klasy D bez wykorzystywania filtrów. Jakkolwiek występuje wtedy duża ilość sygnałów wysokoczęstotliwościowych na wyjściu, to sygnały te są daleko poza zakresem pracy głośników, więc nie ma to jako-takiego wpływu na jakość dźwięku. Wzmacniacze bez filtrów mają mniejszą wydajność, ponieważ energia sygnałów wysokoczęstotliwościowych, normalnie rozpraszana przez filtr, rozprasza się jako ciepło i EMI.

    We wzmacniaczach bezfiltrowych ściśle kontroluje się czasy narastania i opadania impulsów, co przekłada się na lepszą kontrolę nad widmem emitowanych sygnałów. Układy tego rodzaju wymagają bardzo specyficznego projektowania płytek drukowanych z uwagi na problemy z emisją zakłóceń elektromagnetycznych. Dodatkowo problematyczna jest odległość pomiędzy wzmacniaczem a głośnikiem - musi ona być możliwie mała. Rekomenduje się także skręcenie przewodów wyjściowych w celu zminimalizowania odległości pomiędzy nimi, ale to akurat jest dobrą praktyką także dla wzmacniaczy z filtrem.

    Źródło: http://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274877&page_number=4


    Fajne!
  • Arrow Multisolution Day