Схема активного фильтра для исследования выходного сигнала усилителя класса D

Maxim MAX9727

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2019

John Guy, Maxim Integrated

EDN

Растущее признание усилителей класса D помогло им потеснить на рынке своих линейных собратьев класса AB. Это признание не вызывает удивления; преимуществ у усилителей класса D – легион, однако такие усилители также требуют новых методов оценки. Например, рассмотрим основополагающий синусоидальный тест линейного усилителя. Вы подаете питание, прикладываете к входу синусоидальный сигнал подходящей амплитуды и подключаете к выходу щуп осциллографа. Вы увидите точную копию входа, обычно смещенную примерно на половину напряжения источника питания. Даже если линейный усилитель управляет нагрузкой, подключенной к мосту, вы все равно увидите узнаваемую копию входа на любом конце нагрузки, хотя и половинного уровня.

Тестирование усилителей класса D сопряжено с большими трудностями. На выходе усилителя формируется ШИМ сигнал, переключающийся между землей и напряжением питания на частоте, которая обычно находится между 200 кГц и 2 МГц. Однако когда вы просматриваете этот выход ШИМ на осциллографе, вы не видите никакого сходства с синусоидальным входом.

Схема фильтра, изображенная на Рисунке 1, позволяет наблюдать выходной сигнал аудиоусилителя класса D. Основанная на счетверенном аудио драйвере Maxim MAX9727 (IC1), схема объединяет отдельные несимметричные фильтры – по одному для каждой фазы выходов полумостов – с третьим усилителем, который обеспечивает разностный сигнал и дополнительную фильтрацию. Первый каскад каждой секции несимметричного фильтра вносит комплексно сопряженную пару полюсов 30 кГц фильтра Баттерворта третьего порядка с множественной обратной связью, для проектирования которого имеется множество рекомендаций и формул. Каждая секция фильтра третьего порядка содержит комплексно-сопряженную пару полюс-ноль и один вещественный полюс.

Использование фильтра третьего порядка с частотой среза 30 кГц позволяет наблюдать выходной сигнал усилителя класса D с помощью осциллографа.
Рисунок 1. Использование фильтра третьего порядка с частотой среза 30 кГц позволяет наблюдать
выходной сигнал усилителя класса D с помощью осциллографа.

Чтобы улучшить согласование между путями прохождения сигналов, два отдельных фильтра с множественной обратной связью имеют общий вещественный полюс, создаваемый конденсатором C1 емкостью 470 пФ и 11-килоомными резисторами R1 и R6. Схема использует этот полюс как разностный усилитель, тем самым, создавая отфильтрованный выходной сигнал, представляющий собой несимметричную версию выходов мостового усилителя. Сигнальные пути фильтров представляют импедансы 5.5 кОм для каждого из входов секций A и B усилителя. Внимательно посмотрев на схему, можно увидеть, что равный 5.5 кОм импеданс цепи между выходом секции B усилителя и конденсатором C1 включает в себя эквивалентное сопротивление Тевенина резисторов R6 и R7. Аналогично, импеданс цепи между выходом секции A усилителя и конденсатором C1, также равный 5.5 кОм, включает в себя эквивалентное сопротивление Тевенина резисторов R1 и R2. Обратите внимание, что виртуальная земля инвертирующего входа усилителя D эффективно заземляет резистор R2.

Согласованные резисторы ослабляют сигналы на обоих дифференциальных входах усилителя D на 6 дБ. (Резисторы R1 и R2 – на входе IN+, резисторы R6 и R7 – на входе IN–). 22-килоомный резистор обратной связи R3 устанавливает усиление усилителя D, равным двум, определяя единичную передаточную функцию в полосе пропускания схемы. Выход схемы, несимметричный относительно земли, позволяет использовать землю осциллографа также в качестве земли выходного сигнала. Версия этой схемы, основанная на традиционных операционных усилителях, потребовала бы источника отрицательного напряжения питания, но MAX9727 уже содержит источник отрицательного напряжения, которое генерируется его внутренней схемой зарядового насоса. Если схема работает от источника питания 5 В, уровень ее выходного сигнала превышает 2.5 В с.к.з. Хотя ее фильтр третьего порядка не подходит для точных измерений искажений или шумов, схема может служить отличным инструментом для поиска неисправностей и оценки схем усилителей класса D и проверки их выходов на осциллографе.

Материалы по теме

  1. Datasheet Maxim Integrated MAX9727

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: Active-filter circuit and oscilloscope inspect a Class D amplifier's output

Цена MAX9727MAX9727 на РадиоЛоцман.Цены
7 предложений от 7 поставщиков
Усилители звука Quad Audio Line Drvr w/3VRMS Output
ПоставщикПроизводительНаименованиеЦена
ЭлитанMaximMAX9727EEP+70,00 руб.
ЭИКMaximMAX9727EEP+по запросу
КремнийMAX9727EEP+по запросу
LifeElectronicsMaximMAX9727EEPпо запросу
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • "Не знаю как в Англии, может, там собака друг человека" Я подключал вместо дин. резистор и смотрел синусоиду, она была похожа на входную, на разных частотах по разному. Через "штатные" L-C фильтры.
  • У меня аналогичный вопрос - в чём смысл данного фильтра, когда фильтр должен быть стандартным? Применение усилителя НЧ класса D тоже вызывает недоумение при исходном цифровом сигнале! Казалось бы прямое преобразование в ШИМ проще и нет нужды в капризном ЦАПе...
  • Привет сибирякам. Не понятны Ваши претензии к статье. Она написана в 2006 году, т.е. 13 лет назад. В ней речь идёт о "чистых" выходах усилителя D-класса - выходах модулятора (или даже выходного ключевого каскада мост/полумост), без каких-либо фильтров (пассивных или активных) после. В этом случае, а думаю теорию и практику все знают и умеют, при подаче на вход модулятора синуса на его выходе будет высокочастоный ШИМ сигнал, в который "зашит" искомый синус (аудиосигнал). Повторюсь, никаких ФНЧ (стандартных или "нестандартных") на выходе модулятора/усилителя изначально в статье не предполагается. Если при этом использовать двухканальный осциллограф, чтобы посмотреть вход/выход усилителя/модулятора, то уже не получится красивой картинки, как с линейными усилителями А, B. На одном канале осциллографа будет входной синус (заданной амплитуды и частоты), а на втором - формирующий ШИМ с частотой 200кГц-2Мгц. Как, собственно, и написано в статье. В этом случае визуально оценить работоспособность модулятора довольно сложно. Сформированные ШИМ импульсы имеют одинаковую амплитуду и частоту в десятки раз больше входного аналогового сигнала. И вот чтобы убрать эту высокочастотную "цифровую" составляющую, автор построил ФНЧ на основе микросхемы [URL="https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX9727.pdf"]MAX-9727[/URL].[B] Причём, видимо, хороший ФНЧ![/B] Посредствам которого из ШИМ последовательности и выделяется входной сигнал. Тогда картинка на осциллографе куда лучше и входной сигнал можно визуально сравнить с "выходным". Чтобы, во-первых, оценить похож ли выход модулятора по форме и частоте на вход (а может модулятор вообще врет), и во-вторых даже оценить в первом приближении искажения и шумы, порождаемые модулятором/усилителем. Именно поэтому частота среза фильтра выбрана довольно большой, 30кГц. Но это вещи впрочем понятные как и то, что наклон характеристики фильтра Баттерворта с ростом порядка только увеличивается, как и избирательность. И прочее. Такой фильтр можно легко собрать и перестроить, в отличие от LC-фильтра. Именно поэтому автор делает это не И непонятно, где в статье упоминается исходный цифровой сигнал, а равно и ЦАП ЦАПом можно считать связку ШИМ - ФНЧ, но т.к. на входе модулятора аналоговый сигнал (в данном конкретном случае), это не совсем ЦАП. Вопрос zznik немного некорректный. В общем, схему можно считать полезной не только для оценки/ремонта усилителей D-класса. Это, по сути, фильтр. А Баттерворт третьего порядка не может быть плохим. Посчитанный и проверенный. На РадиоЛоцмане попадались десятки схем генерации ШИМ сигналов различного назначения, от реализации ЦАП с постоянным уровнем DC на выходе (например, источники опорного), до генерации синусоидальных и аудиосигналов: от "дверного звонка на микроконтроллере" до любительских лабораторных генераторов. И везде нужны фильтры, причем хорошие. О фильтрах [B]John [/B]и написал.
  • Так усилители никто не проверяет. А проверяют на эквиваленте нагрузки! Соответственно - с LC фильтром...
  • Замечание по делу. Но все таки John понимает, что делает. И знает и умеет LC фильтры тоже. Взять хотя бы [URL="https://www.embedded.com/print/4015895"]вот этот Class D amplifier FAQ[/URL]. LC фильтры присутствуют и тут [URL="https://www.eetimes.com/document.asp?doc_id=1274927"]Class D Amplifier FAQ - Part 2: Zobel Circuits, Testing.[/URL] Но стоит согласиться, что все же неясность есть - что именно проверяет Джон в своей статье. Поэтому я и написал модулятор/усилитель. Вернее с его стороны было бы написать, что фильтр пригоден для "проверки такого-то узла усилителя на этапе, например, проектирования". Кстати, [URL="https://www.linkedin.com/in/john-guy-2060091"]вот он в социальных сетях[/URL]. Сейчас работает на Analog Devices.