Hiệu suất cao của bộ khuếch đại Class D khiến nó trở nên lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao di động và nhỏ gọn. Các bộ khuếch đại Class D truyền thống yêu cầu bộ lọc thông thấp bên ngoài để trích xuất tín hiệu âm thanh từ dạng sóng đầu ra điều chế độ rộng xung (PWM). Tuy nhiên, nhiều bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng các kỹ thuật điều chế tiên tiến, trong nhiều ứng dụng khác nhau, vừa loại bỏ nhu cầu lọc bên ngoài vừa giảm nhiễu điện từ (EMI). Việc loại bỏ các bộ lọc bên ngoài không chỉ làm giảm yêu cầu về không gian bo mạch mà còn có thể giảm đáng kể chi phí của nhiều hệ thống di động/nhỏ gọn.

Hầu hết các kỹ sư thiết kế hệ thống âm thanh đều biết rõ về những lợi thế về hiệu suất công suất của bộ khuếch đại Class D so với các lớp bộ khuếch đại âm thanh tuyến tính như Class A, B và AB. Trong các bộ khuếch đại tuyến tính như Class AB, một lượng điện năng đáng kể bị mất do các thành phần phân cực và hoạt động tuyến tính của các bóng bán dẫn đầu ra. Vì các bóng bán dẫn của bộ khuếch đại Class D chỉ được sử dụng như các công tắc để điều khiển dòng điện qua tải, nên công suất bị mất do tầng đầu ra là tối thiểu. Bất kỳ tổn thất công suất nào 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 trên không. Hầu hết công suất bị mất trong bộ khuếch đại đều bị tản nhiệt. Vì các yêu cầu về tản nhiệt có thể được giảm đáng kể hoặc loại bỏ trong các bộ khuếch đại Class D, nên chúng lý tưởng cho các ứng dụng công suất cao nhỏ gọn.

Trước đây, lợi thế về hiệu suất năng lượng của bộ khuếch đại Class D dựa trên PWM cổ điển đã bị lu mờ bởi chi phí thành phần bộ lọc bên ngoài, tuân thủ EMI/EMC và hiệu suất THD+N kém khi so sánh với bộ khuếch đại tuyến tính. Tuy nhiên, hầu hết các bộ khuếch đại Class D thế hệ hiện tại đều sử dụng các kỹ thuật điều chế và phản hồi tiên tiến để giảm thiểu các vấn đề này.

Khuếch đại Class-E, F, G, H là gì?

Mặc dù có nhiều cấu trúc điều chế được sử dụng trong bộ khuếch đại Class D hiện đại, nhưng cấu trúc cơ bản nhất sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) với bộ dao động sóng tam giác (hoặc răng cưa). Hình 1 cho thấy sơ đồ khối đơn giản của 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 được khuếch đại. Như thể hiện trong hình, MOSFET kênh p và kênh n hoạt động như công tắc lái dòng điện bằng cách kết nối luân phiên nút đầu ra với V DD và đất. Vì các bóng bán dẫn đầu ra chuyển đổi đầu ra thành V DD hoặc đất, nên đầu ra kết quả của bộ khuếch đại Class D là sóng vuông tần số cao. Tần số chuyển mạch (f SW ) đối với 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) được tạo ra bên trong. Kiểu điều chế này cũng thường được gọi là “lấy mẫu tự nhiên” trong đó bộ dao động sóng tam giác hoạt động như đồng hồ lấy mẫu. Chu kỳ nhiệm vụ kết quả 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 bằng 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.

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

Để trích xuất tín hiệu âm thanh khuếch đại từ dạng sóng PWM này, đầu ra của bộ khuếch đại Class D được đưa đến bộ lọc thông thấp. Bộ lọc thông thấp LC được hiển thị trong Hình 1 hoạt động như một bộ tích hợp thụ động (giả sử tần số cắt của bộ lọc thấp hơn ít nhất một bậc độ lớn so với tần số chuyển mạch của tầng đầu ra) có đầu ra bằng giá trị trung bình của sóng vuông. Ngoài ra, bộ lọc thông thấp ngăn 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 không đổi trong một chu kỳ chuyển mạch duy nhất. Giả định này khá chính xác vì f SW lớn hơn 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 kết quả có thể được suy ra bằng cách sử dụng phân tích miền thời gian đơn giản về điện áp và dòng điện của cuộn cảm.

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 được thể hiện trong Hình 1.

Vì dòng điện trung bình (I AVG ) chạy vào tải được coi là không đổi trong một chu kỳ chuyển mạch, nên dòng điện cuộn cảm ở đầu chu kỳ chuyển mạch (T SW ) phải bằng dòng điện cuộn cảm ở cuối chu kỳ chuyển mạch, như thể hiện trong Hình 3.

Về mặt toán học, điều này có nghĩa là:

Phương trình 2 cho thấy tích phân của điện áp cuộn cảm trong một chu kỳ chuyển mạch phải bằng 0. Sử dụng phương trình 2 và kiểm tra dạng sóng V L (t) được hiển thị trong Hình 3, rõ ràng là các giá trị tuyệt đối của các diện tích (A ON và A OFF ) phải bằng nhau để phương trình 2 là đúng. Với thông tin này, giờ đây chúng ta có thể suy ra một biểu thức cho điện áp đầu ra đã lọc theo tỷ lệ nhiệm vụ của dạng sóng chuyển mạch:

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

Cuối cùng, giải V O ta được:

trong đó D là tỷ số nhiệm vụ của dạng sóng chuyển mạch đầu ra.

Sử dụng phản hồi để cải thiện hiệu suất

Nhiều bộ khuếch đại Class D sử dụng phản hồi tiêu cực từ đầu ra PWM trở lại đầu vào của thiết bị. Phương pháp vòng kín không chỉ cải thiện tính tuyến tính của thiết bị mà còn cho phép thiết bị có khả năng loại bỏ nguồn điện. Điều này trái ngược với bộ khuếch đại vòng hở, vốn có khả năng loại bỏ nguồn điện tối thiểu (nếu có). Vì dạng sóng đầu ra được cảm nhận và phản hồi trở lại đầu vào của bộ khuếch đại trong cấu trúc vòng kín, nên độ lệch trong đường ray cung cấp được phát hiện ở đầu ra và được vòng điều khiển hiệu chỉnh. Ưu điểm của thiết kế vòng kín phải trả giá bằng các vấn đề về độ ổn định có thể xảy ra, giống như trường hợp của tất cả các hệ thống sử dụng phản hồi. Do đó, vòng điều khiển phải được thiết kế và bù trừ cẩn thận để đảm bảo độ ổn định trong mọi điều kiện vận hành.

Bộ khuếch đại Class D thông thường hoạt động với loại vòng phản hồi định hình nhiễu, giúp giảm đáng kể nhiễu trong băng tần do tính phi tuyến tính của bộ điều chế độ rộng xung, tầng đầu ra và độ lệch điện áp cung cấp. Cấu trúc này tương tự như định hình nhiễu được sử dụng trong bộ điều chế sigma-delta. Để minh họa cho chức năng định hình nhiễu này, Hình 4 cho thấy 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, ví dụ được hiển thị 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 tỷ lệ nghịch với tần số. Người ta cũng cho rằng khối PWM có độ lợi đơn vị và đóng góp dịch pha bằng không vào vòng điều khiển. Sử dụng phân tích khối điều khiển cơ bản, có thể suy ra biểu thức sau cho đầu ra:

Phương trình 8 cho thấy rằng hạng tử nhiễu, E n (s), được nhân với một hàm bộ lọc thông cao (hàm truyền nhiễu) trong khi hạng tử đầu vào, V IN (s), được nhân với một hàm bộ lọc thông thấp (hàm truyền tín hiệu). Đáp ứng bộ lọc thông cao của hàm truyền nhiễu định hình nhiễu của bộ khuếch đại Class D. Nếu tần số cắt của bộ lọc đầu ra được chọn đúng, hầu hết nhiễu sẽ bị đẩy ra khỏi băng tần (Hình 4). Trong khi ví dụ trước xử lý bộ định hình nhiễu bậc 1, nhiều bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng các cấu trúc định hình nhiễu đa bậc để tối ưu hóa thêm tính tuyến tính và khả năng loại bỏ nguồn điện.

Cấu trúc lớp D—Cầu nửa so với Cầu toàn

Nhiều bộ khuếch đại Class D cũng được triển khai bằng cách sử dụng tầng đầu ra cầu toàn phần. Cầu toàn phần sử dụng hai tầng cầu bán phần để điều khiển tải khác biệt. Kiểu kết nối tải này thường được gọi là tải liên kết cầu (BTL). Như thể hiện 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, dạng sóng đầu ra là phần bổ sung của nhau, tạo ra tín hiệu PWM khác biệt trên tải. Giống 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 năng lượng tần số cao bị tiêu tán trong tải.

Hình 6. Các dạng sóng đầu ra Class D truyền thống của cầu nối toàn phần bổ sung cho nhau, do đó tạo ra tín hiệu PWM vi sai trên toàn bộ tải.

Bộ khuếch đại Class D toàn cầu có cùng ưu điểm như bộ khuếch đại BTL Class AB, nhưng có hiệu suất công suất cao hơn. Ưu điểm đầu tiên của bộ khuếch đại BTL là chúng không yêu cầu tụ điện chặn DC ở đầu ra khi hoạt động từ một nguồn cung cấp duy nhất. Điều tương tự 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%. Điều này có nghĩa là đầu ra của nó có độ lệch DC bằng V DD /2. Với bộ khuếch đại toàn cầu, độ lệch này xuất hiện ở mỗi bên của tải, nghĩa là không có dòng điện DC nào chạy qua đầu ra. Ưu điểm thứ hai mà chúng chia sẻ là chúng có thể đạt được độ dao động tín hiệu đầu ra gấp đôi khi so sánh với bộ khuếch đại nửa cầu có cùng điện áp cung cấp vì tải được điều khiển khác biệt. Điều này dẫn đến công suất đầu ra tối đa tăng lý thuyết gấp 4 lần so với bộ khuếch đại nửa cầu hoạt động từ cùng một nguồn cung cấp.

Tuy nhiên, bộ khuếch đại Class D toàn cầu yêu cầu số công tắc MOSFET gấp đôi so với cấu trúc nửa cầu. Một số người coi đây là một bất lợi, vì nhiều công tắc hơn thường có nghĩa là nhiều tổn thất dẫn điện và chuyển mạch hơn. Tuy nhiên, điều này thường chỉ đúng với các bộ khuếch đại công suất đầu ra cao (> 10W) do dòng điện đầu ra và điện áp cung cấp cao hơn liên quan. Vì lý do này, bộ khuếch đại nửa cầu thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất cao vì lợi thế hiệu suất nhỏ của chúng. Hầu hết các bộ khuếch đại toàn cầu công suất cao đều thể hiện hiệu suất công suất trong phạm vi từ 80% đến 88% với tải 8Ω. Tuy nhiên, các bộ khuếch đại nửa cầu như MAX9742 đạt hiệu suất công suất lớn hơn 90% trong khi cung cấp hơn 14W trên mỗi kênh vào 8Ω.

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

Một trong những nhược điểm chính của bộ khuếch đại Class D truyền thống là cần có bộ lọc LC bên ngoài. Nhu cầu này không chỉ làm tăng chi phí giải pháp và yêu cầu về không gian bo mạch mà còn dẫn đến khả năng méo tiếng bổ sung do tính phi tuyến của thành phần bộ lọc. May mắn thay, nhiều bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng các sơ đồ điều chế “không có bộ lọc” tiên tiến để loại bỏ hoặc ít nhất là giảm thiểu yêu cầu về bộ lọc bên ngoài.

Hình 7 cho thấy sơ đồ chức năng đơn giản của cấu trúc bộ điều biến không có bộ lọc MAX9700. Không giống như bộ khuếch đại PWM BTL truyền thống, mỗi nửa cầu có bộ so sánh chuyên dụng riêng, cho phép điều khiển từng đầu ra độc lập. Bộ điều biến được điều khiển bằng tín hiệu âm thanh vi sai và dạng sóng răng cưa tần số cao. Khi cả hai đầu ra bộ so sánh đều thấp, mỗi đầu ra của bộ khuếch đại Class D đều cao. Đồng thời, đầu ra của cổng NOR lên cao, nhưng bị trễ bởi mạch RC được tạo bởi R ON và C ON . Khi đầu ra bị trễ của cổng NOR vượt quá ngưỡng đã chỉ định, các công tắc SW1 và SW2 sẽ đóng. Điều này khiến OUT+ và OUT- xuống thấp và duy trì như vậy cho đến khi chu kỳ lấy mẫu tiếp theo bắt đầu. Sơ đồ này khiến cả hai đầu ra đều bật trong một khoảng thời gian tối thiểu (t ON(MIN) ), được đặt theo các giá trị của R ON và C ON . Như thể hiện trong Hình 8, với đầu vào bằng không, các đầu ra sẽ cùng pha với độ rộng xung bằng t ON(MIN) . Khi tín hiệu đầu vào âm thanh tăng hoặc giảm, một bộ so sánh sẽ ngắt trước bộ kia. Hành vi này, cùng với mạch thời gian bật tối thiểu, khiến một đầu ra thay đổi độ rộng xung trong khi độ rộng xung 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 ra. Lấy hiệu số của các giá trị trung bình của các đầu ra sẽ tạo ra dạng sóng âm thanh đầu ra 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.

Vì đầu ra của MAX9700 ở chế độ nhàn rỗi với tín hiệu cùng pha, nên không có điện áp vi sai được áp dụng trên tải, do đó giảm thiểu mức tiêu thụ điện năng tĩnh mà không cần bộ lọc ngoài. Thay vì phụ thuộc vào bộ lọc LC ngoài để trích xuất tín hiệu âm thanh từ đầu ra, bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc của Maxim dựa vào độ tự cảm vốn có của tải loa và tai người để phục hồi tín hiệu âm thanh. Điện trở loa (R E ) và độ tự cảm (L E ) tạo thành bộ lọc thông thấp bậc 1 có tần số cắt bằng:

Với hầu hết các loa, độ suy giảm bậc 1 này đủ để phục hồi tín hiệu âm thanh và ngăn chặn lượng năng lượng chuyển mạch tần số cao quá mức bị tiêu tán trong điện trở loa. Ngay cả khi năng lượng chuyển mạch còn lại dẫn đến chuyển động của loa, những tần số này không thể nghe được đối với 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 cảm ứng ở tần số chuyển mạch của bộ khuếch đại để đạt được khả năng công suất đầu ra tối đa.

Giảm thiểu EMI bằng cách điều chế phổ trải rộng

Một nhược điểm của hoạt động 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 chuyển động nhanh, nên phổ đầu ra chứa một lượng lớn năng lượng phổ ở tần số chuyển mạch và bội số nguyên của tần số chuyển mạch. Nếu không có bộ lọc đầu ra bên ngoài 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 giúp giảm thiểu các vấn đề EMI có thể xảy ra thông qua 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 thay đổi lên đến ±10% tần số chuyển mạch danh nghĩa. Trong khi chu kỳ của dạng sóng chuyển mạch thay đổi ngẫu nhiên theo từng 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 cho các hiệu ứng của điều chế phổ trải rộng. Thay vì tập trung năng lượng phổ ở tần số chuyển mạch và sóng hài của nó, điều chế phổ trải rộng thực sự phân tán năng lượng phổ của tín hiệu đầu ra. Nói cách khác, tổng lượng năng lượng có trong phổ đầu ra vẫn giữ nguyên, nhưng tổng năng lượng 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, do đó giảm thiểu khả năng EMI được bức xạ từ cáp loa. Mặc dù một số nhiễu quang phổ có thể phân bổ lại vào băng tần âm thanh với điều chế phổ trải rộng, nhưng nhiễu này sẽ bị triệt tiêu 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 cũng cho phép tần số chuyển mạch được đồng bộ hóa với tín hiệu xung nhịp bên ngoài. Điều này cho phép người dùng tự tay thiết lập tần số chuyển mạch của bộ khuếch đại thành dải tần ít nhạy hơn.

Trong khi điều chế phổ trải rộng cải thiện đáng kể hiệu suất EMI của bộ khuếch đại Class D không có bộ lọc, thường có giới hạn thực tế về độ dài của cáp loa có thể được sử dụng trước khi thiết bị bắt đầu không đáp ứng các quy định về phát xạ bức xạ của FCC hoặc CE. Nếu một thiết bị không đáp ứng các bài kiểm tra phát xạ bức xạ do cáp loa dài, có thể cần một bộ lọc đầu ra bên ngoài để cung cấp khả năng suy giảm bổ sung các thành phần tần số cao của dạng sóng đầu ra. Trong nhiều ứng dụng có chiều dài cáp loa vừa phải, các bộ lọc hạt ferit/tụ điện trên đầu ra sẽ đủ. Hiệu suất EMI cũng rất nhạy cảm với bố cục, do đó, cần tuân thủ nghiêm ngặt các hướng dẫn về bố trí PCB phù hợp để đảm bảo tuân thủ các quy định hiện hành của FCC và CE.

Những hạn chế của Class D

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 bộ khuếch đại tuyến tính từng chiếm ưu thế. Bộ khuếch đại Class D hiện đại bao gồm tất cả các ưu điểm của bộ khuếch đại Class AB (tức là độ tuyến tính tốt và yêu cầu không gian bo mạch tối thiểu) với phần thưởng bổ sung là hiệu suất công suất cao. Hiện nay, có rất nhiều bộ khuếch đại Class D, do đó chúng phù hợp với nhiều ứng dụng. Các ứng dụng này bao gồm từ các ứng dụng di động công suất thấp (ví dụ: điện thoại di động, máy tính xách tay) trong đó tuổi thọ pin, yêu cầu không gian bo mạch và khả năng tuân thủ EMI là vô cùng quan trọng, cho đến các ứng dụng công suất cao (ví dụ: hệ thống âm thanh ô tô hoặc màn hình phẳng) trong đó việc giảm thiểu yêu cầu tản nhiệt và tỏa nhiệt là rất quan trọng. 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 ứng dụng của họ và cho phép họ cân nhắc thành công những ưu điểm và nhược điểm của các tính năng cụ thể.

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

• • Trụ sở chính: Số 8/486 Xuân Đỉnh, Hà Nội
  • Chi nhánh:
    • Số 1039 Cách Mạng Tháng 8, P7, Quận Tân Bình, TP.HCM
    • 515 Âu Cơ, Q. Liên Chiểu, tp Đà Nẵng
  • Hotline: 0988 970 666; 0944 970 666; 096 374 2828
  • Website: https://viethungaudio.vn

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