Схема активного фильтра для исследования выходного сигнала усилителя класса D
Схема активного фильтра: растущее признание усилителей класса D помогло им потеснить на рынке своих линейных собратьев класса АВ. 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 активного фильтра для исследования выходного сигнала
Схема активного фильтра, изображенная на Рисунке 1, позволяет наблюдать выходной сигнал аудиоусилителя класса D. Основанная на счетверенном аудио драйвере Maxim МАХ9727 (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.
Чтобы улучшить согласование между путями прохождения сигналов, два отдельных фильтра с множественной обратной связью имеют общий вещественный полюс, создаваемый конденсатором С1 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 А и В усилителя. Внимательно посмотрев на схему, можно увидеть, что равный 5.5 кОм импеданс цепи между выходом секции В усилителя и конденсатором С, включает в себя эквивалентное сопротивление Тевенина резисторов R6 и R7.
Аналогично, импеданс цепи между выходом секции А усилителя и конденсатором С1( 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 6дБ. (Резисторы R1 и R2-на входе IN+, резисторы R6 и R2 — 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 МАХ9727 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.