обзавёлся очень сильной дискуссией очень грамотных специалистов, которые..
..которые разжевали всё до такой степени, что описали всю суть практически до уровня электронов в проводниках.
Выражаю им ОГРОМНУЮ и искреннюю благодарность и признательность.

=========================

Итак.
Хочешь что-то — сделай это САМ...
В интернете, действительно, есть всё — надо только найти.
Найти и..
..и систематизировать всё в одном месте. Т.к. в интернете вся эта информация присутсвует, но она размазана по разным местам по маленьким кусочкам -- в одном месте упоминается одно, в другом другое, а общей картины нет. НО.. Но если собрать все эти кусочки в одном месте (файле) и затем отредактировать в единый информационный поток, то
, то можно собрать из них полную картину (как паззл/puzzle) ,
что я, собственно, и собираюсь сделать.

Итак. забив в поиске "полностью цифровой усилитель" сразу получаю практически полноценный ответ:

"полностью цифровой усилитель" ссылка 1 = http://www.diyaudio.ru/forum/index.php?topic=4078.0
цитата
:
Полностью цифровой усилитель
« : 06 Августа 2014 , 11:47:55 »

Мучаю на макете полностью цифровой усилитель на техасском чипсете.
Модулятор TAS5548, выходной каскад TAS5612LA.
Вход многоканальный I2S,
источник - компьютер,
USB интерфейс - Фламенко.
Управление модулятором пока от Arduino.
В качестве РГ - энкодер.
Питание всего 12В, выходная микруля греется не сильно, даже не стал ставить радиатор.
Мощности для акустики 84 Дб - за глаза.
""""""""""""""""" конец цитаты """"""""""""""""""

===================================

Первое что бросается в глаза -- это, а что такое «I2S»

"""""""""""""" Цитата """""""""""""""
Универсальное устройство на sc4392
предназначено для
приема аудиоданньіх по SPDIF и преобразованию в i2s
и коммутацию нескольких источников цифровьіх аудиоданньіх.
На борту
4 входа:
3 SPDIF из них один разведен под TOSLink,
1 кв.шина, максимальная частота семплирования 192КГц
2 вьіхода:
Кв.шина и повторяющий ее SPDIF вьіход.
"""""""""""""" конец цитаты """""""""

Дальше я сохраню в этом же файле свою переписку 2015 года с человеком, который.. казался мне большим докой в цифровых усилителях.
"Меня зовут Костяной Сергей Александрович. Сейчас живу в глубинке в Воронежской области. "

"""""""""""""" Цитата """""""""""""""

Привет!

Иногда пишут как IIS

На вход TAS5548 нужен i2s.

"""""""""""""" конец цитаты """""""""

Переписка целиком
Привет!

Честно говоря у меня сейчас мало времени.

С первым девайсом:

Из всей начинки, там позного: Блок питания, модулятор, и выходной каскад.

5.1 - 6 каналов. Тебе нужно не i2s, а i6s:)

Это чудо подключаем к модулятору. Модулятором можно управлять через USB-i2C переходник.
Ну конечно нужен будет некий софт, если нужно что-то крутить на аппаратном уровне.
Лучше все делать софтом, на компе.

Звуковая карта не нужна. В ней есть смысл, если есть аппаратная доработка звука или мегакрутой ЦАП для аналогового усилителя.

В Tomson можно убрать АЦП, и прилепить вместо него более простой i2s интерфейс например CM6631A
Каналы крутить через встроенное MCU.

По поводу вывода i2s из компа. В теории это можно сделать. Даже из встроенного кодека.
Но неужели встроенный в мост контроллер звука такой хороший?
Опять же CM6631A или XMOS - более правильное направление.

Вообще я смысла не вижу, разве что, при наличии Creative x-fi с аппаратным улучшайзером...

Непосредственный вывод i2s очень не дальнобойный. Максимум 30 см до модулятора, или начнутся сбои.
Лучше посадить чип модулятора прямо над старым ЦАП. PWM можно уже будет удлинить на большие расстояния, без особых проблем.

Но процы сейчас такие мощные, что и софтовый аудиоплагин можно юзать.
Опять же CM6631A или XMOS - более правильное направление, чем ковырять звуковухи тем более на материнке.
Например это https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer

По поводу ручек.
Аналоговая ручка ни о чем не говорит. Сигнал с регулятора может быть оцифрован MCU и даваться по i2c в модулятор.
Может не по шине, а на управляемый аттенюатор. В общем нужно разбирать и смотреть.

По поводу TOSHIBA SD-530 E - да, там может быть крутой ЦАП в маркетинговых целях. Скорей всего в него заводится i2s.

Чтобы достать от туда i2s нужен переходник на парафазную линию через специальный драйвер. Потом в RJ-45.
Потом в приемном устройстве RJ-45. Приемник парафазного сигнала. Потом получаем дискретный i2s. Его можно подать в ЦАП или модулятор.

Это все очень не просто, не благодарно и не выгодно. У меня мало времени, чтобы бороться с буржуйским маркетингом.

Никаких крутых DVD и блюреев. Только HTPC с мощным процом, чтобы 4К крутил, с запасом на обработку звука и прочих шлюх.

Звуковые карты не нужны. Нужен крутой аудио-интерфейс с достаточным количеством каналов.

Например это https://www.minidsp.com/products/usb-audio-interface/usbstreamer
10 x OUT multi-channel USB audio interface (8 x I2S)
Можно сделать отдельно многополоску и настраивать все программно, прямо на компе. И без маркетинговых кровопийц.

Вопросы?

В письме от 8 июня 2016 01:44:14 Вы написали:
> ПРИВЕТствую!!! о Сергей:)
>
> снова нуждаюсь в помощи профессионала.
>
> Нашёл тут DVD домашний кинотеатр в одном - Tomson (модель уточню)
> суть в том, что выход не в виде линейных выходов 5.1
> а на выходе 5.1 цифровой усилитель - 5.1 выходы сразу на колонки включая даже ПАССИВНЫЙ сабвуфер.
>
> Мы когда-то хотели заказывать в Китае такую плату. так она денег стоит.... не копеечная. А тут она же самая, видимо.
>
>
> Но по законам запланированного устаревания у модели НЕТ входов.
> т.е.
> лазер от времени стал читать плохо, часто заикаится. Да и время болванок "ушло безвозвратно".
>
> А использовать ВНУТРЕННИЙ ПОТЕНЦИАЛ = полноценный цифровой усилитель 5.1 - НЕТ возможности.
>
> Сделан 2.0 АНАЛОГОВЫЙ вход. и тот звучит не плохо. Но это же сколько преобразований
> сперва из цифры в аналог, что бы подать на аналоговый же вход, после которого снова АЦП что бы подать на цифровой усилитель цифру.... 3 преобразования из исходной ЦИФРЫ в ту же ЦИФРУ....
>
> Кому я чего объясняю:)) - ты сам мне это объяснял в прошлом письме.
>
>
>
> Вопрос.
>
> Расскажи как вывести из компютера -- из звуковой карты этот самый I2S ?
>
>
> Сколько бы ты взял (рублей) за такую работу?! -- вот только как бы тебе переслать аппарат...(ну это, в принципе, решаемо)
>
>
>
> Есть эта же модель Тоmson , но более старшая, у неё уже сделан хотя бы ОПТИЧЕСКИЙ вход.
>
> секундочку у меня же есть документация
>
> THOMSON DPL913VD.pdf
> http://vk.com/doc5542158_437445096
>
> это кажется тот что у меня
>
>
> А вот более старшая модель 950:
> http://vk.com/doc5542158_437451143
>
>
> а вот тот преобразователь который....
> http://vk.com/doc5542158_437451125
>
> на который видимо и надо заводить I2S со звуковой карты.
>
>
> Если освоить это, то можно делать бизнес,
> т.к. народ сейчас тупо ВЫКИДЫВАЕТ такие аппараты
> т.к. викидывают и все диски... а он кроме как с диска иначе... ну разве что СТЕРЕО усилитель... но людям НЕ надо.
> я нашёл на помойке....
>
> ===========================
> ===========================
>
>
> Вопрос 2
>
> Подарил мне друг систему
>
> Cambrige DTT 2500
> фотка = http://vk.com/photo5542158_416539186
>
> по Coaxial он имеет внутренний AC3 Dolby Digital деккодер. К сожаления нет DTS -- вот уроды....
> DTS раскодировать нынче не проблема - и я прикупил себе топовую Creative ZxR
>
> но эти "умные люди" предвидели это и кроме ОТСУТСВИЯ DTS
> они ещё предусмотрели и ОТСУТСВИЕ 5.1 входов.
> Есть только вход 4.0 , при том что усилитель 5.1
>
> "висит груша - нельзя скушать"
>
> есть усилитель 5.1 уже ВТОРОЙ, но я не могу им воспользоваться.
>
>
> но на этом DTT2500
> есть АНАЛОГОВАЯ ручка регулировки уровня громкости ЦЕНТРАЛЬНОГО канала
> при том что нет для него аналогового входа
>
> и это наводит меня на мысль, что
> раз ручка АНАЛОГОВАЯ,
> то она может регулировать лишь АНАЛОГОВЫЙ сигнал,
> т.е. можно подпаться к ней и подавать внешний вход ЦЕНТРАЛЬНЫЙ прямо напрямую на неё...
>
> Но там же ещё где-то схема обрезания БАСОВ, т.к. колоночки лишь СЧ/ВЧ, весь бас обрезается в САб.
> а тут уже скорее всего ОБРЕЗАНЫЙ аналоговый сигнал.
>
> т.е. завести то сигнал я может так и смогу, но...
> но таким образом я рискую перегрузить колоночку и усилитель НЕ обрезанными БАСАМИ.
>
> Колончки в силу своего микро размера ОЧЕНЬ НРАВЯТСЯ
> я расставил их вокруг себя
> в непосредственной близости
> и абсолютно симметрично
> чем достиг коллосальный эффект от симметрии.
> все 5.1 эффекты передаются максимально 100% (ну с поправкой на обрезку басов в единый саб.)
>
> но вот я не могу подать центральный канал....
>
> и кажется даже если подам напрямую на регулятор,
> то я должен буду как-то сам куда-то заранее обрезать с его БАС.
>
> А ведь аппарат Cambrige -- и звучит... ну мне для дома хватает.
>
> Как бы мне научиться подавать центральный канал.
> ведь по SpDif Coaxial он понимает все 5.1 - но там по ЦИФРЕ...
> а тут мне надо подать АНАЛОГОВЫЕ 5.1
>
> =============
> =============
> =============
>
>
> и третья задача.
>
> есть DVD Player TOSHIBA SD-530 E
>
> http://www.stereo-journal.ru/149491-toshiba_sd_530e.html
>
>
> на борту которого написано, что в нём установлен некий 192 kHz 24 bit ЦАП/DAC
> опять же хотелось бы его использовать в качестве СТЕРЕО ЦАП
>
> сам я врядли смогу сделать - я математик. я резистор от транзистора с трудом отличу.
>
> А вот за задачу с Tomson я готов заплатить, ОБОСНОВАНУЮ цену.
>
> ну или и вправду попробовать найти какие провода надо искать (по каким признакам?)
> по идее надо соединить I2S со звуковой карты
>
> видимо с его внутреннего ЛАЗЕРА идёт та же самая I2S , как и на звуковой карте.
> но эти стандарты к сожалению не имеют обукновения выводиться наружу,
> хотя с появлением ЦИФРОВЫХ усилителей
> приходит именно их пора.
>
>
> =========================
> =========================
> =========================
>
>
>
>
>
> >Пятница, 6 ноября 2015, 0:36 +03:00 от Сергей Костяной :
> >
> >Привет!
> >Выбирай http://kostyanoysa.ru/?p=154
> >
> >Честному цифровому усилку нужен цифровой звук! i2s!
> >https://www.sparkfun.com/datasheets/BreakoutBoards/I2SBUS.pdf
> >Иногда пишут как IIS
> >
> >Эти последовательные i2s данные могут быть преобразованы в аналог мага-дорогой микросхемой ЦАП, и усилены мегадорогим усилком.
> >Либо!
> >Эти данные поступают в модулятор (например TAS5548), который переведет их в точную длительность открытия ключевых транзисторов, а звук в аналоговый преобразуется уже на выходном фильтре.
> >
> >В первом случае мы получаем шумы и искажения ЦАП, а потом их еще и усиливаем, с посторонними помехами, да и теряем на КПД АВ усилителя.
> >Во втором случае получаем идеальный выходной сигнал. Качество звучания во много зависит от согласования выходного фильтра с АС.
> >
> >Так чтобы обойтись без аналога, надо иметь звуковую карту с цифровым выходом или SPDIF который потом опят преобразуется в I2s
> >SPDIF и I2s - цифровые интерфейсы но протоколы разные.
> >На вход TAS5548 нужен i2s.
> >На выходе TAS5548 поучаем ШИМ и подаем на выходной чип. Если хочешь - можно взять не чип, а драйвер затвора (типа IR2110) и мощные полевые транзисторы (типа IRFP4321). Будет "дубово"!
> >
> >В письме от 6 ноября 2015 00:11:39 Вы написали:
> >> ПРИВЕТствую Сергей.
> >>
> >> Хочу разобраться в одной звуко.. инженерной задачке
> >> уверен тебе будет интересно,
> >> а быть может, ты "сто лет в обед" знаешь об этом.
> >>
> >>

Коэффициент полезного действия является основным параметром для усилителей мощности звуковой частоты. Особенно это важно для портативной аппаратуры, такой как радиоприемники или сотовые телефоны. Усилители с высоким к.п.д. применяются и в стационарных устройствах, таких как компьютеры или телевизоры. Усилители класса C позволяет получить достаточно большие значения к.п.д. но их невозможно использовать для усиления звуковых сигналов.

Основным параметром, определяющим потребление энергии выходным усилительным каскадом, является мощность, рассеиваемая на его транзисторах. При этом мощность не будет рассеиваться в двух случаях:

1. ток через транзистор при ненулевом напряжении равен нулю;
2. напряжение на транзисторе при ненулевом токе равно нулю.

Эти условия выполняются при работе транзистора в ключевом режиме. Первое условие будет выполнено, если транзистор полностью закрыть (режим отсечки). Второе условие будет выполнено, если транзистор полностью открыть (режим насыщения). Так работают транзисторы в цифровых микросхемах, например КМОП логики.

Но ведь в этом случае амплитуда сигнала на выходе будет иметь только два уровня. Для того чтобы можно было получить амплитуду сигнала, соответствующую входной, на выходе усилителя звука, в ключевом режиме используется широтно-импульсная модуляция — ШИМ.

Широтно-импульсная модуляция реализуется при помощи компаратора, на входы которого подаются полезный сигнал и пилообразное напряжение. В результате ширина импульса на его выходе будет пропорциональна амплитуде полезного сигнала. Данный процесс иллюстрируется рисунком 1.

Рисунок 1. Процесс формирования ШИМ

Как видно из рисунка 1, средний уровень сигнала зависит от ширины импульсов. Чем она меньше — тем меньше будет средний уровень сигнала, чем больше — тем больше. В спектре широтно-импульсной модуляции присутствует исходный низкочастотный звуковой сигнал, поэтому обратное преобразование ШИМ в аналоговый сигнал осуществляется любым фильтром низкой частоты. Достаточно отфильтровать высокочастотные составляющие двухуровневого сигнала и усиленный первоначальный сигнал можно подавать на громкоговоритель. Спектр широтно-импульсной модуляции синусоидального сигнала приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Спектр сигнала ШИМ

Так как мощность на выходе усилителя мощности обычно составляет значение от единиц до сотен ватт, то обычно применяются LC фильтры. Задача фильтра заключается в подавлении частоты пилообразного сигнала, модулированного полезным сигналом и его гармоник. Для того, чтобы можно было применить простейший фильтр второго порядка, частоту пилообразного сигнала выбирают в пределах двух мегагерц. Так как частота модулирующего сигнала превышает верхнюю частоту звукового спектра в 100 раз, то фильтр второго порядка, состоящий из индуктивности и конденсатора, способен подавить мешающие сигналы на 80 дБ (при соответствующем конструктивном исполнении).

Усилителя низкой частоты, работающего в режиме класса D, приведена на рисунке 3

Рисунок 3. Типовая структурная схема усилителя класса D

Данная схема состоит из входного усилителя, обеспечивающего требуемое входное сопротивление, компаратора напряжения, на второй вход которого подается пилообразное напряжение и выходного каскада, собранного на комплементарных полевых транзисторах. Именно эти транзисторы и обеспечивают необходимую выходную мощность. Их быстродействие определяет к.п.д. усилителя. Для оценки коэффициента полезного действия можно воспользоваться зависимостью рассеиваемой мощности от выходной мощности. На рисунке 4 приведены характеристики микросхем усилителя класса D фирмы Texas Instruments TPA2012D2.

Рисунок 4. Сравнение рассеиваемой мощности усилителей класса AB и D

Микросхемы подобного класса предназначены для применения в портативной аппаратуре. В таблице 1 приведены некоторые из таких микросхем. Обратите внимание на очень низкие этих микросхем.

Наименование	Описание	Стерео/моно	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Нелин. искаж. на мощн. P/2 THD+N* (%), f=1кГц	Коэфф. подавл. помех по цепям питания дБ	Корпус
					(min)	(max)
TPA2017D2	SmartGain, AGC/DRC, GPIO интерфейс	Стерео	2,8	4	2,5	5,5	0,2	80	QFN-20
TPA2000D2	усилитель средней мощности	Стерео	2,5	3	4,5	5,5	0,05	77	TSSOP-24
TPA2000D4	усилитель для стерео телефонов	Стерео	2,5	4	3,7	5,5	0,1	70	TSSOP-32
TPA2012D2	усилитель в корпусе WCSP 2 x 2 мм	Стерео	2,1	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-16, QFN-20
TPA2016D2	SmartGain, AGC/DRC, I2C интерфейс	Стерео	1,7	8	2,5	5,5	0,2	80	WCSP-16
TPA2001D2	усилитель низкой мощности	Стерео	1,25	8	4,5	5,5	0,08	77	TSSOP-24
TPA2100P1	для пьзокерам. излучателя	Моно	19 Vpp	1,5 мкФ (пьезо)	2,5	5,5	0,2	90	WCSP-16
TPA2035D1	дифф. вход, 1,5 х 1,5 мм	Моно	2,75	4	2,5	5,5	0,2	75	WCSP-9

Несколько другой подход для построения усилителей класса D использует фирма Analog devices. В ее микросхемах вместо ШИМ модулятора используется сигма-дельта модулятор. Это позволяет поднять внутреннюю частоту до такого значения, что внешний фильтр низкой частоты не требуется. Его функции выполняет динамик. Внутренняя схема подобной микросхемы приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Внутренняя схема микросхемы SSM2317

В настоящее время выпускается достаточно большое количество микросхем усилителей класса D большой мощности. В качестве примера можно назвать разработки фирм MPS (Monolithic Power Systems) и Texas Instruments

Наименование	Описание	Pвых, Вт	Rнагр. (min), Ом	Напряжение питания, B		Нелинейные искажения на половинной мощности THD+N* (%), f=1кГц	Коэффициент подавления помех по цепям питания дБ	Корпус
				(min)	(max)
TAS5630B	300 Вт усилитель (стерео) с ОС	400	2	25	52,5	0,03	80	QFP-64, PSOP-44
TAS5615A	160 Вт усилитель (стерео) с ОС	300	2	18	38	0,03	80	QFP-64, PSOP-44
MP7720	20 Вт усилитель (моно)	20	4	9,5	24	0,04	60	SOIC-8
MP7781	80 Вт усилитель	80	4	18	38	0,1	60	SOIC-24

Следует отметить, что подобные схемы практически не требуют громоздких радиаторов, рассеивающих избыточное тепло. На рисунке 6 приведена типовая принципиальная схема усилителя звуковых частот класса D.

Рисунок 6. Принципиальная схема звукового усилителя мощности класса D на микросхеме МР7720

В данной схеме резисторы R4 и R1 определяют глубину отрицательной обратной связи, которая влияет на коэффициент усиления усилителя и его нелинейные искажения. Резисторы R3 и R2 задают режим работы на входе микросхемы по постоянному току (половина питания). Диоды D1 и D2 защищают выходной каскад от перенапряжения. Фильтр, выделяющий из ШИМ звуковой сигнал собран на индуктивности L1 и конденсаторе C8. Емкости C1 и C9 являются разделительными.

Литература:

Вместе со статьей "Усилитель класса D" читают:

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/A/

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/Berg/

http://сайт/Sxemoteh/RejRab/B/

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

• обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
• ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
• контролирует уровень входного напряжения;
• защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
• при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• высокой эффективности преобразования сигнала;
• стабильность работы;
• экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
• низкой стоимости;
• высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Читайте так же

Hugo Letourneau, Future Electronics

Истинные аудиофилы всегда мечтали сконструировать идеальный усилитель, абсолютно достоверно воспроизводящий каждый звук, записанный на студии. Возможно, они начали мечтать об этом, когда, получив первые уроки электроники, узнали, что топология класса A дает великолепные результаты с точки зрения линейности. Иногда горячие студенты, невзирая на предупреждения своих учителей, пытались изобрести велосипед, посвятив себя созданию усилителя класса A с выходной мощностью 150 Вт на канал, чтобы поразить всех друзей мощным и совершенным звуком. И каждый раз, когда разработка подходила к финальной стадии, выяснялось, что усилитель, по большому счету, представляет собой мощный обогреватель, а его корпус является раскаленным радиатором для транзисторов выходного каскада.

Затем эти студенты начинали увлекаться вопросами снижения энергопотребления, и делали усилители класса B или AB, а наиболее усердные, исследовав все топологии, останавливались на классе D. Для новичков в конструировании усилителей сообщим. В усилителе класса A выходной транзистор усиливает весь сигнал, т.е., 360°. В системах класса B каждый транзистор усиливает только одну полуволну сигнала, или 180°.

Усилители класса AB занимают промежуточное положение с диапазоном, примерно, от 180° до 270°, в зависимости от тока покоя выходного каскада. Усилители класса D часто называют «цифровыми» усилителями, так как выходные транзисторы работают в ключевом режиме, генерируя прямоугольные импульсы, а выходной сигнал на громкоговорители подается через фильтры. Основное преимущество топологии класса D - обусловленный ее цифровым характером высокий КПД, который может превышать 90%. Типовые схемы для каждой топологии выходного каскада показаны на Рисунке 1.

Усилители класса D известны более 25 лет, но настоящую популярность приобрели лишь 10-15 лет назад, или около того. Из за их высокого КПД, они использовались, главным образом, на низких частотах при больших уровнях мощности, т.е., для управления сабвуферами, и очень редко - в средне- и высокочастотных приложениях, вследствие значительных искажений, связанных с несовершенством технологии переключающих схем того времени.

Чтобы сделать усилитель класса D с приличным звучанием, необходимо учесть множество параметров, не пропустив ни одного элемента в цепи прохождения сигнала. Без этого не удастся добиться хороших звуковых характеристик во всем диапазоне частот. На Рисунке 2 изображена простая блок-схема типичного цифрового усилителя. Каждый прямоугольник этой блок-схемы должен быть тщательно выверен и согласован с остальными. Лишь в этом случае можно достичь определенного баланса и создать усилитель, отвечающий требованиям нашего уха.

Каскад ШИМ-модулятора

ШИМ сигнал можно получить с помощью как аналоговой, так и цифровой схемы, точно так же, как аналоговым или цифровым может быть источник звука. Проще всего получить сигнал ШИМ сравнением треугольного напряжения со звуковым сигналом, как это показано на Рисунке 3. Если источник сигнала цифровой, превратить импульсно-кодовую модуляцию в ШИМ можно, используя цифровой сигнальный процессор. В любом случае, первостепенное значение для формирования ШИМ сигнала имеют величина джиттера и стабильность всех генераторов, так как несколько пикосекунд среднеквадратичного значения джиттера навсегда похоронят мечты о создании усилителя c отношением сигнал/шум лучше 100 дБ. В цифровых ШИМ системах добавляется ошибка квантования, порождаемая конечным числом уровней ШИМ.

Методы формирования шумов совершенствовались на протяжении многих лет, в результате чего появились новые технологии, такие, как PDM (pulse-density modulation - плотностно-импульсная модуляция) и дельта-сигма модуляция, которые, теоретически, позволяют сместить спектр шумов дискретизации далеко за область полезных частот, где они могут быть эффективно подавлены фильтрами.

Компаратор должен иметь большую скорость нарастания напряжения и, желательно, двухтактный выходной каскад. Хороший выбор - микросхема , имеющая время задержки распространения сигнала 45 нс и время нарастания/спада 1.2 нс. Немаловажное значение имеет качество трассировки печатной платы, чтобы предотвратить возникновение «звона». Помимо этого, весьма критична топология распределения шин питания и развязывающих конденсаторов. Небрежность в этом вопросе может приводить к увеличению уровня джиттера выходного сигнала. Следует, также, избегать чрезмерной емкостной нагрузки на линию, соединяющую выход модулятора с драйвером MOSFET транзисторов.

Несимметричный или дифференциальный?

Прежде чем выбирать, каким будет выходной каскад, - несимметричным или дифференциальным, - очень важно понять влияние этого выбора на характеристики конструкции. Несимметричный режим выгоднее с точки зрения количества и цены компонентов, но для предотвращения постоянного смещения выхода потребуется развязывающий конденсатор. Кроме того, все колебания напряжения питания неизбежно передаются прямо на выход, еще более увеличивая уровень искажений. Поэтому использовать несимметричную схему без обратной связи невозможно.

Дифференциальный режим затратнее, но дает много преимуществ, таких как меньший уровень четных гармоник, улучшенная устойчивость к колебаниям питающего напряжения, меньшая мощность, рассеиваемая каждым транзистором, и более простое решение задачи устранения постоянного смещения, не требующее развязывающих конденсаторов. Обратная связь может улучшить выходной сигнал, однако дифференциальная топология без обратной связи искажает сигнал намного меньше, чем несимметричная.

Выходной MOSFET каскад и драйвер

В схеме, изображенной на Рисунке 2, важны все элементы, но два из них оказывают наибольшее влияние на искажения выходного сигнала. Это MOSFET транзисторы и их драйвер. Качество звука очень зависит от формы импульсной последовательности, и любое отклонение ШИМ сигнала от идеального ухудшает его качество.

Для этого каскада важны, и должны быть рассмотрены, многие характеристики MOSFET транзисторов:

• ток управления и входная емкость;
• мертвое время (что важно для исключения сквозных токов);
• сопротивление открытого канала;
• время включения/выключения.

Любой из этих параметров влияет не только на качество звука, но и на рассеиваемую транзисторами мощность. «Мертвое время» - это задержка между выключением одного транзистора и включением другого, время, в течение которого оба транзистора выключены (или находятся в процессе выключения). При отсутствии мертвого времени, скорее всего, будет возникать ситуация, когда один транзистор выходного каскада уже открыт, а другой еще не закрыт, вследствие чего ток от положительной шины питания будет протекать к отрицательной шине напрямую через два открытых транзистора. Этот ток называется сквозным и должен быть минимизирован подбором соответствующего мертвого времени. Сквозной ток является основной причиной нелинейных искажений в системах класса D. Недостаточное мертвое время может ухудшить коэффициент нелинейных искажений на проценты. Выбор MOSFET транзисторов и симметрия плеч выходного каскада - важнейший момент в проектировании высококачественного усилителя.

Ток управления затвором MOSFET транзистора должен соответствовать его емкости, чтобы иметь малые времена нарастания и спада импульсов на входе транзистора, которые, в свою очередь, обеспечат крутые фронты в выходном сигнале. В свою очередь, источник питания должен быть способен отдавать большие импульсные токи.

Мощность рассеивания и правильный выбор MOSFET транзистора

Транзисторы в переключающих каскадах класса D преобладающую часть времени полностью открыты или полностью закрыты, и рассеиваемая ими мощность минимальна. Как видно из Рисунка 1, в системах класса D используются двухтактные, каскады, в полу- или полномостовой конфигурации, выходными сигналами которых являются прямоугольные импульсы. При этом поочередно, равное время, открыт то один MOSFET транзистор, подключенный к положительной шине питания, то другой, подключенный к отрицательной шине. Теоретически, это могут быть два разных транзистора, с каналами N и P типа, но практически предпочтительнее использовать сдвоенные N-канальные транзисторы, обеспечивающие повышенную симметрию и лучшее мертвое время. Включенный MOSFET транзистор рассеивает очень небольшую мощность, являющуюся функцией прямого падения напряжения, зависящего, в свою очередь, от сопротивления открытого канала R DS(ON) . Это имеет огромное значение, не только с точки зрения экономии энергии, но, прежде всего, с точки зрения габаритов схемы. К примеру, выходной каскад 100-ваттного усилителя класса A рассеивает в виде тепла мощность 300 Вт и требует очень больших транзисторов и теплоотводов, усилитель класса AB вполне можно сделать, используя транзисторы в корпусах TO3 и радиаторы традиционных размеров, а для усилителя класса D будет достаточно транзисторов в корпусах SOT223 или TO89. А это означает, что хороший усилитель мощности может иметь относительно небольшие размеры, которые, по мере развития технологии, будут постоянно уменьшаться, благодаря росту эффективности и снижению габаритов используемых приборов.

Одна из распространенных ошибок заключается в том, что, стремясь к наивысшей эффективности, разработчики выбирают MOSFET транзисторы с наименьшим значением R DS(ON) и ожидают, что транзисторы будут совершенно холодными. В реальности все может быть совершенно по-другому.

P D = P RESISTIVE + P SWITCHING = R DS(ON) × I LOAD 2 + (C RSS × V 2 × F SW × I LOAD) / I GATE

I LOAD - ток нагрузки
C RSS - емкость затвора
V - размах напряжения на нагрузке
F SW - частота переключения
I GATE - ток затвора

К примеру, давайте представим, что для выходного каскада мощностью 100 Вт мы выбрали замечательный транзистор фирмы , имеющий R DS(ON) = 3.9 мОм и C RSS = 455 пФ, который управляется MOSFET драйвером с выходным током 1 А. Каскад нагружен сопротивлением 8 Ом, размах напряжения на нагрузке 50 В при частоте сигнала 100 кГц. Рассеиваемая транзисторами мощность не превысит:

P D = 0.0039×5 А + (455×10 -12 ×50 2 ×100×10 3 ×5 А) / 1 А = 0.0195 + 0.568 = 0.588 Вт

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо