مكبر الصوت Class D amplifier

أصبحت مكبرات الصوت من الفئة “D” والتي تم اقتراحها لأول مرة في عام 1958م، شائعة بشكل متزايد في السنوات الأخيرة، والهدف من مكبرات الصوت هو إعادة إنتاج إشارات الصوت المدخلة في عناصر الإخراج المنتجة للصوت مع مستوى الصوت والطاقة المطلوبين بكفاءة وبتشوه منخفض، كما تتراوح ترددات الصوت من تقريباً “20 هرتز” إلى “20 كيلو هرتز”، لذلك يجب أن يتمتع مكبر الصوت باستجابة تردد جيدة عبر هذا النطاق أقل عند تشغيل مكبر صوت محدود النطاق، مثل مكبر الصوت أو مكبر الصوت.

ما هو مكبر الصوت Class D amplifier؟

مكبر الصوت “Class D amplifier”: يُعرف أيضاً باسم “مضخم طاقة التبديل”، حيث  تعمل مكبرات الصوت على تعديل عرض النبضة وتحول إشارة الإدخال إلى تيار من النبضات، كما أنّ تقنية الفئة “D” يتم اعتمادها بشكل متزايد لمضخمات الطاقة الضخمة والثقيلة وغير الفعالة في الخطاب العام على نطاق واسع وتعزيز الصوت وأنظمة الصوت الحية.

تختلف إمكانيات الطاقة بشكل كبير في مكبر الصوت “Class D amplifier” اعتماداً على التطبيق من ملي واط في سماعات الرأس إلى بضع واط في التلفاز أو صوت الكمبيوتر الشخصي، وإلى عشرات الواط لستيريو منزلي “صغير” وصوت السيارات وإلى مئات واط وما بعدها للحصول على طاقة منزلية وتجارية أكثر أنظمة الصوت.

يستخدم التنفيذ التنماثلي المباشر لمكبر الصوت الترانزستورات في الوضع الخطي لإنشاء جهد ناتج يمثل نسخة مصغرة من جهد الإدخال، وعادةً ما يكون كسب الجهد الأمامي مرتفعاً أي “40 ديسيبل” على الأقل إذا كان الكسب الأمامي جزءاً من حلقة التغذية الراجعة، فسيكون كسب الحلقة الإجمالي مرتفعاً أيضاً، وغالباً ما يتم استخدام التغذية الراجعة؛ لأنّ كسب الحلقة العالية يحسن الأداء من قمع التشوه الناجم عن اللاخطية في المسار الأمامي وتقليل ضوضاء مصدر الطاقة عن طريق زيادة رفض مزود الطاقة “PSR”.

ميزة مكبر الصوت Class D amplifier:

في مضخم الترانزستور التقليدي تحتوي مرحلة الناتج على ترانزستورات تزود تيار الناتج المستمر اللحظي، كما تتضمن العديد من التطبيقات الممكنة للأنظمة الصوتية الفئات “A” و”AB” و”B”، وبالمقارنة مع تصميمات الفئة “D”، يكون تبديد الطاقة في مرحلة الناتج كبيراً حتى في أكثر مراحل الناتج الخطية كفاءة، ويعطي هذا الاختلاف للفئة “D” مزايا كبيرة في العديد من التطبيقات؛ لأنّ تبديد الطاقة المنخفض ينتج حرارة أقل ويوفر مساحة لوحة الدوائر والتكلفة ويطيل عمر البطارية في الأنظمة المحمولة.

أساسيات مكبر الصوت Class D amplifier:

1- المكبرات الخطية ومكبرات الفئة D وتبديد الطاقة:

ترتبط مراحل ناتج مكبر الصوت الخطي مباشرة بالسماعة في بعض الحالات عبر المكثفات، وإذا تم استخدام ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب “BJTs” في مرحلة الناتج، فإنّها تعمل عموماً في الوضع الخطي مع جهد كبير بين المجمع والباعث، ويمكن أيضاً تنفيذ مرحلة الناتج باستخدام ترانزستورات “MOS”.

تتبدد الطاقة في جميع مراحل الإخراج الخطية؛ لأنّ عملية توليد “VOUT” تتسبب حتماً في وجود معرفات “IDS” و”VDS” غير صفرية في ترانزستور ناتج واحد على الأقل، كما يعتمد مقدار تبديد الطاقة بشدة على الطريقة المستخدمة لتحيز الترانزستورات الناتجة.

تستخدم طوبولوجيا الفئة “A” أحد الترانزستورات كمصدر تيار مستمر قادر على توفير أقصى تيار صوتي مطلوب من قبل السماعة، ويمكن الحصول على جودة صوت جيدة مع مرحلة ناتج الفئة “A”، لكن تبديد الطاقة مفرط لأنّ تيار تحيز كبير للتيار المستمر يتدفق عادةً في ترانزستورات مرحلة الناتج.

تعمل طوبولوجيا الفئة “B” على التخلص من تيار تحيز التيار المستمر وتبديد طاقة أقل بشكل ملحوظ، كما يتم التحكم في الترانزستورات الناتجة بشكل فردي بطريقة الدفع والسحب، ممّا يسمح لجهاز “MH” بتزويد التيارات الإيجابية للسماعة، و”ML” لدفق التيارات السلبية، وهذا يقلل من تبديد الطاقة في مرحلة الناتج مع توصيل تيار الإشارة فقط من خلال الترانزستورات.

تتميز دائرة الفئة “B” بجودة صوت منخفضة، ومع ذلك بسبب السلوك غير الخطي أي تشويه التقاطع عندما يمر تيار الناتج عبر الصفر وتتغير الترانزستورات بين ظروف التشغيل والإيقاف، وتستخدم الفئة “AB” وهي عبارة عن حل وسط هجين للفئتين “A” و”B” بعض تيار تحيز التيار المستمر، ولكن أقل بكثير من تصميم الفئة “A”.

يُعد تيار تحيز التيار المستمر الصغير كافياً لمنع التشويه المتقاطع ممّا يتيح جودة صوت جيدة، وعلى الرغم من أنّ تبديد الطاقة يقع بين حدود الفئة “A” والفئة “B”، إلّا أنّه عادةً ما يكون أقرب إلى الفئة “B”، وهناك حاجة إلى بعض عناصر التحكم المشابهة لتلك الموجودة في دائرة الفئة “B”؛ للسماح لدائرة الفئة “AB” بتزويد أو دفق التيارات الناتجة الكبيرة.

بفضل طوبولوجيا مختلفة يبدد مكبر الصوت من الفئة “D” طاقة أقل بكثير من أي ممّا سبق، كما تقوم مرحلة الناتج بالتبديل بين إمدادات الطاقة الموجبة والسالبة؛ لإنتاج سلسلة من نبضات الجهد، ويُعتبر شكل الموجة هذا مناسباً لتبديد الطاقة؛ لأنّ ترانزستورات الناتج لها تيار صفري عند عدم التبديل، ولها “VDS” منخفضة عند إجراء التيار، ممّا يعطي “IDS × VDS” أصغر.

نظراً لأنّ معظم الإشارات الصوتية ليست قطارات نبضية يجب تضمين مُعدِّل لتحويل إدخال الصوت إلى نبضات، كما يتضمن محتوى تردد النبضات كلاً من الإشارة الصوتية المرغوبة والطاقة الكبيرة عالية التردد المتعلقة بعملية التضمين، وغالباً ما يتم إدخال مرشح تمرير منخفض بين مرحلة الإخراج ومكبر الصوت لتقليل التداخل الكهرومغناطيسي “EMI” وتجنب تشغيل السماعة بطاقة عالية التردد للغاية.

• “EMI” هي اختصار لـ “Electromagnetic interference”.

• “VDS” هي اختصار لـ “Drain-source voltage”.

• “BJT” هي اختصار لـ “Bipolar Junction Transistor”.

• “MOS” هي اختصار لـ “Metal Oxide Sensors”.

• “MOSFETs” هي اختصار لـ “Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor”.

2- طوبولوجيا أحادية النهاية أو تفاضلية:

مثل مصادر الطاقة التقليدية في وضع التبديل يمكن أن تكون مكبرات الصوت التقليدية من الفئة “D” طبولوجيا نصف جسر أحادية الطرف أو هيكل جسر كامل تفاضلي، كما يتكون مكبر الصوت نصف الجسر من الفئة “D” الموضح أدناه من مُعدِّل عرض النبضة ومخرجين من “MOSFETs” ومرشح تمرير منخفض خارجي “LF” و”CF” لاستعادة إشارة الصوت المضخمة.

كما هو موضح في الشكل السابق تعمل وحدات “MOSFET” ذات القناة “p” والقناة “n” كمفاتيح توجيه تيار من خلال توصيل عقدة النواتج بالتناوب بـ “VDD” والأرض، ونظراً لأنّ الترانزستورات الناتجة تقوم بتحويل الناتج إلى “VDD” أو الأرض، فإنّ الناتج من مكبر للصوت من الفئة “D” هو موجة مربعة عالية التردد.

يستخدم الجسر الكامل مرحلتين من نصف الجسر لدفع الحمولة بشكل تفاضلي، وغالباً ما يُشار إلى هذا النوع من توصيلات الحمل بالحمل المربوط بالجسر “BTL”، كما يعمل تكوين الجسر الكامل عن طريق تبديل مسار التوصيل عبر الحمل، وهذا يسمح للتيار ثنائي الاتجاه بالتدفق خلال الحمل دون الحاجة إلى إمداد سلبي أو مكثف مانع للتيار المستمر.

وكما هو الحال مع الهيكل نصف الجسر هناك حاجة إلى مرشح “LC” خارجي عند الناتج لاستخراج الإشارات الصوتية منخفضة التردد ومنع الطاقة عالية التردد من التبديد في الحمل، وبغض النظر عن الهيكل هناك نوعان من تقنيات التعديل الأولية المستخدمة في مكبرات الصوت من الفئة “D” وتعديل عرض النبضة “PWM” وتعديل كثافة النبض “PDM”.

وتتضمن كل من تقنيات التعديل هذه المفاضلات، و”PWM” الذي يعمل على تردد ثابت هو سهل التنفيذ الرقمي ويسهل التعامل مع الأخطاء من أوقات التبديل المحدودة ويوفر خصائص انبعاث “EMI” أفضل، ويُعد “PDM” رائعاً للحصول على كسب أعلى للحلقة وتحقيق أداء صوتي أفضل، وتتمتع “PDM” أيضاً بميزة تقليل فقد التبديل وتحسين نسبة استخدام الجهد.

• “PDM” هي اختصار لـ “Pulse-density modulation”.

• “PWM” هي اختصار لـ “Pulse-width modulation”.

• “LC” هي اختصار لـ “Inductors and Capacitor”.

• “BTL” هي اختصار لـ “bridge-tied load”.