Многие приложения с ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), такие как аудиоусилители класса D, требуют симметричной схемы управления. Показанная на Рисунке 1 классическая КМОП-пара, состоящая из n- и p-канальных полевых транзисторов с соединенными затворами и истоками, обеспечивает низкоомный путь к положительному или отрицательному источнику питания и может напрямую управлять n-канальным полевым транзистором с логическим уровнем порога. Прямое соединение КМОП-пары с логическим драйвером хорошо работает в системах ШИМ, в которых управляемые устройства подключены к тому же напряжению, что и логические схемы. Однако повышение напряжения питания выходных полевых транзисторов при управлении затворами от более низковольтной логики приводит к тому, что p-канальный прибор остается в состоянии проводимости из-за разницы между напряжениями питания.
 |
|
| Рисунок 1. | Классическая КМОП пара (а) формирует чистые выходные импульсы с быстрыми переходами между включенными и выключенными состояниями (б). |
Чтобы выключить транзистор, напряжение затвора p-канального полевого транзистора усилителя должно достигать напряжения положительной шины питания. Драйверы на основе комплементарной КМОП логики не могут выдерживать высокое положительное напряжение питания усилителя, а альтернативы, такие как использование коммерческих драйверов полевых транзисторов и схем сдвига уровня на операционных усилителях, увеличивают стоимость и сложность. Для управления затвором p-канального полевого транзистора усилителя можно добавить внешний высоковольтный n-канальный полевой транзистор (Рисунок 2). Однако емкостная нагрузка делает характеристику нарастания управляющих импульсов экспоненциальной и в течение длительного времени оставляет p-канальный полевой транзистор в линейной рабочей области, ограничивая, таким образом, частоту переключения и вызывая значительные потери мощности в каскадированных полевых транзисторах.
 |
|
| Рисунок 2. | Выходные импульсы драйвера на n-канальном полевом транзисторе (а) при выключении имеют экспоненциальные нарастающие фронты (б). |
Современные системы ШИМ могут работать на относительно высоких частотах переключения и, как показано на Рисунке 3, позволяют использовать разделительный конденсатор CB между выходом логического драйвера и затвором выходного p-канального полевого транзистора. Резистивный делитель R1 и R2 подает на затвор выходного транзистора постоянное смещение, равное разности между напряжением питания выходного каскада и половиной напряжения питания логики. Например, в ШИМ аудиоусилителе класса D с напряжением питания 12 В, управляемом от микроконтроллера с напряжением питания 5 В, затвор p-канального полевого транзистора должен быть смещен на 9.5 В (12 В – 5 В/2). В качестве выходных устройств следует использовать транзисторы, для которых указаны логические уровни управляющего напряжения затворов, поскольку другие полевые транзисторы не обеспечивают номинальные токи сток-исток при напряжении затвора 5 В и ниже.
 |
|
| Рисунок 3. |
Добавление резистивной цепи смещения и разделительного конденсатора к n-канальному |
 |
|
| Рисунок 4. | Добавление стабилитрона в цепь делителя смещения позволяет оптимизировать емкость разделительного конденсатора и напряжение смещения p-канального транзистора для управления сигналами логического уровня. |
Усилители с батарейным питанием и смещением выходного каскада от резистивного делителя создают дополнительные сложности. По мере уменьшения напряжения батареи снижается и смещение. Вместо этого можно использовать микросхему источника опорного напряжения или стабилитрон D1, чтобы обеспечить постоянное смещение, независящее от изменений напряжения питания (Рисунок 4). Этот метод потребляет меньше энергии, чем чисто резистивный делитель, и обеспечивает бóльшую гибкость в выборе разделительного конденсатора для уменьшения спада импульса. Основанный на микросхеме ШИМ-усилителя мощности TPA2010 мощный аудиоусилитель класса D повышает дифференциальную выходную мощность TPA2010 от 2.5 Вт до более чем 200 Вт с.к.з. на нагрузке 8 Ом (Рисунок 5).
 |
|
| Рисунок 5. | Этот аудиоусилитель класса D повышает выходную мощность драйвера до 200 Вт с.к.з. при питании 48 В. |
Купить TPA2010D1YEFT на РадиоЛоцман.Цены
