Как создать фильтр нижних частот с резонансной схемой для динамика класса D? Обсудим это на примере недавно выпущенного ST нового усилителя

— 16 Apr 20

STMicroelectronics недавно выпустил новый усилитель FDA901, который получил сертификацию AEC-Q100. Усилитель может давать до 50 Вт на канал.

Эффективное усиление звуковой частоты

Более низкий уровень потребления становится все более важным для электронных инженеров - аудио-проекты не исключение. Усилители класса D – это средство объединения высокоэффективных техник дизайна с аудио схемами.

Аналоговый аудио-сигнал конвертируется в цифровой сигнал ШИМ посредством компаратора, после чего цифровой сигнал отправляется на усилитель мощности. Но как бы там ни было, нам не нужно направлять цифровой сигнал непосредственно на динамик - вот почему нам нужен фильтр нижних частот. Он подавляет переключение частот и восстанавливает синусоидальную природу изначального сигнала.

Дизайн низкочастотного фильтра для усилителей класса D

Прежде всего мы должны определить подходящую пороговую частоту и соответствующим образом выбрать значения параметров. Это может быть сложно, т.к. пороговая частота зависит не только от компонентов фильтра, но также и от модуля полного электрического сопротивления в колонке.

Нам также нужно убедиться, что реакция фильтра не слишком передемпфирована или наоборот; но опять, Вы должны быть осторожны, т.к. коэффициент добротности зависит от модуля полного электрического сопротивления

Третий пункт, который должен нас беспокоить – это искажение. Аудио дизайнеры должны быть особенно внимательны к этому нежелательному эффекту, т.к. в усилителях класса D выходной фильтр может выдавать заметное количество искажения, если значения параметров компонента меняются слишком сильно в ответ на изменения в исходящем сигнале.

Мы можем выбрать компоненты так, чтобы индуктивность не слишком варьировалась в то время как ток меняется на выходе. Емкостное сопротивление также не будет слишком отличаться, когда изменится напряжение. Но это может быть неидеальным решением, потому что линейные индукторы и конденсаторы самые дорогие и требуют большей площади для установки.

Низкий уровень искажения для усилителей класса D

FDA901 принимает 4 канала оцифрованного аудио через I2S, преобразовывает цифровые данные в аналоговые волны и производит мостообразные акустические сигналы посредством усиления сигнала класса D.

Управление устройством контролируется посредством интерфейса I2C и включает в себя защиту от коротких замыканий, систему определения искажения и компоненты для уменьшения электромагнитных помех. Устройство поддерживает данные модулей резистентного сопротивления равные 1, 2, и 4 Ω.

Зацикленный фильтр

FDA901 пытается улучшить этот аспект применения в классе D, посредством топологии обратного воздействия и ST описывает это применение как «инновационное».

Идея состоит в том, что фильтр c резонансной схемой включен внутрь петли усилителя, в то время как в более традиционной архитектуре класса D, обратная связь берется из выхода каскада усиления; а не из выхода фильтра резонансной схемы.

ST утверждает, что этот подход дает значительные преимущества и делает качество аудио менее чувствительным к характеристикам фильтра.