AMPLIFIER CLASS D
1. Giới thiệu
Hầu hết các kỹ sư thiết kế hệ thống âm thanh cũng nhận thức được những lợi thế
sức mạnh hiệu quả của bộ khuếch đại Class D hơn các bộ khuếch đại tuyến tính như
Class A, B, và AB. Trong bộ khuếch đại tuyến tính như Class AB, một lượng đáng kể
năng lượng bị mất do các hoạt động tuyến tính của các transistor đầu ra. Bởi vì các
transistor của một bộ khuếch đại Class D chỉ đơn giản là sử dụng thiết bị chuyển mạch
để chuyển dòng điện qua tải, năng lượng tối thiểu bị mất do các giai đoạn chuyển
mạch. Bất kỳ tổn thất điện năng của một bộ khuếch đại lớp D chủ yếu do trở kháng
trên transistor đầu ra, tổn thất chuyển mạch trên dòng tĩnh. Hầu hết các điện áp bị mất
trong một bộ khuếch đại là tiêu tán dưới dạng nhiệt. Vì vậy yêu cầu tản nhiệt có thể
được giảm đáng kể hoặc loại bỏ trong bộ khuếch đại Class D, chúng là lý tưởng cho
các ứng dụng năng lượng cao nhỏ gọn. Trong quá khứ, các lợi thế sức mạnh hiệu quả
của PWM dựa trên bộ khuếch đại Class D đã bị lu mờ bởi chi phí bộ lọc bên ngoài,
EMI / EMC và THD + N kém hiệu quả khi so sánh với bộ khuếch đại tuyến tính. Tuy
nhiên, hầu hết các bộ khuếch đại Class D thế hệ hiện tại sử dụng điều chế và phản hồi
kỹ thuật tiên tiến để giảm thiểu các vấn đề này. Hình dưới đây cho thấy đường cong
hiệu quả điển hình cho bộ khuếch đại tuyến tính và loại D.
2. Khái niệm
Các mạch khuếch đại Lớp D, hay còn gọi là các mạch khuếch đại điều biến độ
rộng xung, sử dụng kỹ thuật chuyển mạch để đạt được hiệu suất rất cao (hơn 90%
ở các mạch khuếch đại hiện đại). Vì nó chỉ cho phép các linh kiện chỉ ở dạng hoàn
toàn dẫn hoặc không dẫn, tiêu tán trên linh kiện sẽ là tối thiểu. Một số loại mạch
khuếch đại điều chế độ rộng xung đơn giản vẫn còn được tiếp tục sử dụng. Tuy nhiên,
các mạch khuếch đại kiểu đóng ngắt hiện đại đã sử dụng kỹ thuật số, thí dụ như
kỹ thuật điều chế sigma-delta cho độ trung thực tối ưu.Trước đây, lớp D được sử dụng
trong các mạch khuếch đại loa siêu trầm vì giới hạn của băng thông và khả năng
không gây méo dạng, sau này các tiến bộ kỹ thuật chất bán dẫn đã cho phép chế tạo
các mạch khuếch đại có độ trung thực cao, dải tần rộng, với tỷ số nhiễu trên tín hiệu
và hệ số méo dạng thấp tương đương với những mạch khuếch đại tuyến tính cùng loại.

3. Cấu trúc cơ bản
a) Sơ đồ nguyên lý
Điều biến độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation)
Kỹ thuật Ampli D dùng PWM cần có :
- Một nguồn xung tam giác (Triangle Generator) có tần số ổn định.
- Một nguồn âm tiêu chuẩn cần khuếch đại (đơn giản là nguồn âm thanh được
cân bằng, sạch nhiễu và cài đặt được âm chất nhờ vào các mạch tone control
hayequalyser, thậm chí không cần những thứ đó cũng được tuỳ theo nhu cầu âm chất
của người nghe).
- Một mạch khuếch đại tuyến tính hai ngã vào (in+ và in-), xung tam giác vào ngõ
in+ và tín hiệu từ nguồn âm vào ngã in Ngã ra là xung vuông. Lúc đó nguồn âm
thanh sẽ điều biến độ rộng (tính theo đơn vị thời gian) của xung vuông ở ngã ra
thành một chuỗi xung vuông có độ rộng xung thay đổi tuyến tính với biên độ
nguồn âm thanh.
Nói khác đi, nguồn âm thanh được xem như một nguồn điện áp để điều biến độ
rộng xung ở ngõ ra của bộ điều biến độ rộng xung (PWMC / Pulse Width
Modulation Control).
Ngày nay đã có các IC chuyên dùng làm nhiệm vụ PWM. Ở đây chúng ta đề
cập đến các IC PWM đơn biên (như họ UC384x với UC3842) và các IC song biên
phục vụ PWM đẩy kéo (như một số họ SG và đặc biệt thông dụng làTL494).
Tuy nhiên cũng cần chú ý khả năng PWM của IC 555 (đặc biệt là 7555 của
Maxim), có thể nói là không hề thua kém các IC PWM đắt tiền khác.
Hình 1 cho thấy một sơ đồ khối đơn giản của một PWM dựa trên, nửa cầu
mạch khuếch đại Class D. Nó bao gồm một bộ điều biến độ rộng xung, hai đầu ra
MOSFETs và một bộ lọc thấp bên ngoài (LF và CF) để khôi phục lại các tín hiệu
âm thanh khuếch đại. Như trong hình, kênh p và kênh n MOSFETs hoạt động như
công tắc điều chỉnh dòng điện bằng cách luân phiên kết nối các nút đầu ra với
nguồn dương và đất. Bởi vì các đầu ra của transistor chuyển đổi đầu ra cho một
trong hai nguồn hoặc đất, các kết quả đầu ra của một bộ khuếch đại Class D là một
làn sóng vuông tần số cao. Các tần số chuyển mạch (FSW) cho hầu hết các bộ

khuếch đại Class D thường là từ 250 kHz đến 1.5MHz. Các đầu ra sóng vuông là
độ rộng xung điều chế bởi tín hiệu âm thanh đầu vào. PWM được thực hiện bằng
cách so sánh các tín hiệu âm thanh đầu vào để tạo ra một bộ ba sóng (hoặc răng
cưa) dao động. Đây là loại điều chế cũng thường được gọi là "lấy mẫu tự nhiên",
nơi các dao động sóng tam giác đóng vai trò như xung chuẩn. Kết quả các chu kỳ
của sóng vuông tỷ lệ thuận với mức độ của tín hiệu đầu vào. Khi không có tín hiệu
đầu vào, chu kỳ của dạng sóng đầu ra là bằng 50%. Hình 2 minh họa các kết quả
đầu ra dạng sóng PWM do sự thay đổi mức độ đầu vào tín hiệu.

.
Figure 2. The output-signal pulse widths vary proportionally with the input-signal
magnitude
Để giải nén các tín hiệu âm thanh khuếch đại từ dạng sóng PWM này, đầu ra của
bộ khuếch đại Class D được đưa vào một bộ lọc thông thấp. Các bộ lọc thấp LC thể
hiện trong hình 1 hoạt động như bộ tích hợp thụ động (giả sử tần số cắt của bộ lọc là
thấp nhất của các cường độ thấp hơn so với tần số chuyển mạch của các giai đoạn đầu
ra) mà đầu ra là tương ứng với giá trị trung bình của sóng vuông Ngoài ra, các bộ lọc
thấp ngăn chặn năng lượng chuyển đổi tần số cao không bị tiêu tán trong các điện trở
tải. Giả sử rằng điện áp đầu ra được lọc (
OAVG
V
) và hiện tại (
AVG
I
) vẫn không đổi trong
một thời kỳ chuyển đổi đơn. Giả định này là khá chính xác bởi vì FSW là lớn hơn
nhiều so với tần số âm thanh đầu vào cao nhất. Vì vậy, mối quan hệ giữa các chu kỳ
và kết quả lọc điện áp đầu ra có thể được bắt nguồn bằng cách sử dụng phân tích trong
miền thời gian đơn giản của điện áp cuộn cảm và dòng điện.
Dòng điện tức thời đi qua cuộn cảm là:


1
( ) ( )
L L
I t V t dt
L
= ∫
(Eq1)
Với
L
V
(t) là điện áp tức thời trên cuộn cảm sử dụng quy ước dấu hiệu thể hiện trong
hình 1.
Bởi vì dòng điện trung bình (
AVG
I
) đi vào được giả định không đổi qua một chu kì
chuyển đổi, dòng cuộn cảm vào ở đầu chu kỳ chuyển đổi (
WS
T
) phải bằng dòng cuộn
cảm vào ở cuối chu kỳ chuyển đổi, như thể hiện trong Hình 3.
Trong thuật ngữ toán học, điều này có nghĩa là :


W
W
0
1
( ) ( ) (0) 0

S
T
L L S L
V t dt I T I
L
= − =
∫
(Eq2)
Công thức 2 cho thấy tách rời của điện áp cuộn cảm trên một khoảng thời gian
chuyển mạch phải bằng 0. Sử dụng phương trình 2 và kiểm tra các V
L
(t) dạng sóng
hiển thị trong hình 3, nó là rõ ràng rằng các giá trị tuyệt đối của vị trí (ON và OFF )
phải bằng với nhau để cho phương trình 2 là đúng. Với thông tin này, chúng ta có thể
rút ra một biểu thức cho điện áp đầu ra được lọc tỷ lệ thuận của các dạng sóng chuyển
đổi:
ON OFF
A A=
(Eq3)
DD 0
( ).
ON ON
A V V t= −
(Eq4)
0
.
OFF OFF
A V t=
(Eq5)
Thay phương trình 4 và 5 vào phương trình 3 cho ta phương trình mới:

DD 0 0
( ). .t
ON OFF
V V t V− =
(Eq6)
Cuối cùng ta được
0
V
:

0 DD DD
. .
ON
ON OFF
t
V V V D
t t
= =
+
(Eq7)
Với D là tỷ lệ thuận của dạng sóng đầu ra chuyển đổi.
b) Sử dụng phản hồi để cải thiện hiệu suất
Nhiều bộ khuếch đại Class D sử dụng thông tin phản hồi âm từ đầu ra PWM trở lại
đầu vào của thiết bị. Phương pháp vòng kín không chỉ cải thiện độ tuyến tính của thiết
bị, mà còn cho phép thiết bị có thể loại bỏ điện áp. Điều này trái ngược với một bộ
khuếch đại vòng hở, mà vốn đã có rất ít (nếu có). Bởi vì các dạng sóng đầu ra được
nhìn thấy và phản hồi lại cho các đầu vào của bộ khuếch đại trong một cấu trúc liên
kết vòng kín, lệch hướng trong tín hiệu cung cấp được phát hiện tại đầu ra và sửa chữa
bởi các vòng điều khiển. Những lợi thế của một thiết kế kín đã giải quyết các vấn đề
ổn định có thể, như trường hợp với tất cả các hệ thống sử dụng các thông tin phản hồi.

Do đó, các vòng lặp kiểm tra được cẩn thận và đền bù để đảm bảo sự ổn định trong
mọi điều kiện hoạt động.
Tiêu biểu bộ khuếch đại Class D hoạt động bị nhiễu hình thành kiểu vòng lặp
thông tin phản hồi, làm giảm đáng kể nhiễu trong băng tần do các phi tuyến của bộ
điều biến độ rộng xung, giai đoạn đầu ra, và độ lệch cung điện áp. Cấu trúc này là
tương tự như được sử dụng trong điều biến sigma-delta. Để minh họa chức năng này,
Hình 4 cho thấy một sơ đồ khối đơn giản để giảm nhiễu. Hệ thống thông tin phản hồi
thường bao gồm nhiều điện trở để đơn giản, ví dụ thể hiện trong hình 4 sử dụng một
tỷ số phản hồi bằng 1. Ngoài ra, các hàm truyền cho các mạch tích hợp đã được đơn
giản hóa để bằng 1/ s vì đạt được tích hợp trong một khối lý tưởng là tỷ lệ nghịch với
tần số. Nó cũng giả định rằng các khối PWM có một sự thống nhất đạt được và không
tham gia vòng điều khiển. Sử dụng phân tích kiểm soát khối cơ bản, các biểu thức sau
đây có thể được lấy cho đầu ra:
0
1
( ) . ( ) . ( )
1 1
IN n
s
V s V s E s
s s
= +
+ +
(Eq8)

Phương trình 8 cho thấy rằng nhiễu En(s) được nhân với một hàm lọc thông
cao( hàm thay đổi nhiễu) trong đầu vào, khi
( )
IN
V s

được nhân với một hàm lọc thông
thấp (hàm truyền tín hiệu ). Nếu tần số cắt của bộ lọc đầu ra được lựa chọn đúng, hầu
hết các nhiễu được giảm (Hình 4). Trong các ví dụ trước khi phản hồi bằng 1 để giảm
nhiễu, các bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng nhiều topo giảm nhiễu để tiếp tục
tối ưu hóa tuyến tính và điện năng cung cấp.
c) Topo nửa cầu và topo cầu
Tương tự như bộ khuếch đại lớp AB thường, Class D bộ khuếch đại cũng sử dụng
hai topo: nửa cầu và cầu. Mỗi loại topo có ưu và khuyết điểm khác nhau. Nửa cầu là
một bước chuyển đổi từ DC sang AC. Nó là một "công cụ chuyển đổi hai góc phần
tư" vì dòng điện tải có thể đi theo hai chiều. Đây là một tính năng quan trọng khi điều
chỉnh một tải có tính cảm với một sóng xoay chiều. Cấu trúc này được sử dụng rộng
rãi để tạo ra một sóng sin đầu ra. Hạn chế của nó là nó đòi hỏi một điện áp âm đối với
đầu ra trung tính. Topo cầu đã khắc phục được hạn chế này. Topo cầu sử dụng hai
topo nửa cầu làm cho hiệu suất âm thanh tốt hơn. Bảng 1 cho thấy sự so sánh giữa hai
topo cầu và nửa cầu.
Hình 6. dạng sóng đầu ra topo cầu truyền thống bổ sung cho nhau, do đó tạo ra một tín
hiệu PWM khác biệt trên tải.
Topo cầu có ưu điểm của một bộ khuếch đại lớp AB BTL. Lợi thế của bộ khuếch
đại BTL là họ không yêu cầu tụ DC tham ra vào các tín hiệu đầu ra và hoạt động với
một nguồn duy nhất. Không giống đối với một bộ khuếch đại nửa cầu là một tụ DC bù
đắp bằng VDD / 2 thay đổi tín hiệu của nó với nguồn và đất là 50% chu kỳ. Với topo
cầu thì được bù đắp trên mỗi tải có nghĩa là đầu ra không có dòng điện một chiều và
khuếch đại hai lần tín hiệu đầu ra.
d) Loại bỏ bộ lọc đầu vào- đầu lọc điều biến
Một trong những nhược điểm lớn( nhiễu) của các bộ khuếch đại Class D truyền
thống đã được một bộ lọc LC bên ngoài giải quyết. Điều này làm tăng chi phí và
không gian mạch yêu cầu chúng ta có một giải pháp, nhưng cũng đưa ra khả năng sai
lệch do bộ lọc sai lệch. May mắn thay các bộ khuếch đại Class D hiện đại sử dụng
"không đầu lọc" để loại bỏ, hoặc ít nhất là giảm thiểu bộ lọc ngoài.
e) Hạn chế tối đa EMI trong lan truyền băng tần điều biến

Một bất lợi của khi sử dụng đầu lọc là khả năng bức xạ EMI( nhiễu điện từ) từ dây
loa. Bởi vì các dạng sóng đầu ra bộ khuếch đại Class D là tần số cao sóng vuông với
quá độ nhanh, quang phổ đầu ra có chứa một lượng lớn năng lượng quang phổ tại tần
số chuyển mạch và bội số nguyên của tần số chuyển mạch. Nếu không có một bộ lọc
đầu ra bên ngoài cùng với thiết bị, năng lượng tần số cao này có thể được phát ra bởi
các dây loa. Đầu lọc khuếch đại Class D EMI giúp giảm thiểu các vấn đề có thể EMI
qua chương trình điều chế được gọi là điều chế trải phổ.
h) Sơ đồ chi tiết
Thiết kế dưới đây chỉ dùng 1 IC LM393. Công suất hiệu dụng 2W > 3W, công
suất đỉnh 3,5W, PMOP 4W. Hiệu suất ~92%. Trong mạch :
- Q2 khuếch đại điện áp tín hiệu. Q1 khuếch đại dòng tín hiệu để có điện áp
modulation trên R8 đưa vào chân 5 của IC 555.
- U1 (555) chạy PWM, dao động cơ bản ~ 75 KHz xuất ra chân 3. Khi điện áp trên
chân 5 thay đổi thì độ rộng xung ở chân 3 thay đổi nghịch biến với điện áp này. Nghĩa
là độ rộng xung sẽ thay đổi theo điện áp tín hiệu âm thanh ngõ vào (audio in).
- Điện áp xung ở chân 7 được đưa về qua R5-R6 hồi tiếp để ổn định độ sâu
điều biến.
- Xung PWM xuất ra từ chân 3 được U5 và U6 khuếch đại đệm, xuất ra mạch D
Class demodulation đơn giản như một LPF (LowPass Filter) do L1 (60uH) và
C5(4uF) đảm nhiệm để hồi dạng tín hiệu ngõ vào với công suất đã nói trên. C (330uF)
làm nhiệm vụ thu hút điện áp DC trên loa.
Mạch hoạt động với tần số lý tưởng 1 KHz, rất hợp với âm sắc trầm ấm hay loa
siêu trầm. Hiệu suất rất lớn nên các transistor không cần tản nhiệt (*) và cẩn thận kẻo
cháy loa. Dĩ nhiên đây không phải là mạch tốt nhất.
Trong mạch có L1, nếu không mua được thì phải dùng ferrite xuyến nhỏ (hình vành
khăn) trong ballast điện tử đèn ống, quấn 65 vòng, cỡ dây d = 0,3 mm. Lõi không khí
thì D = 10mm, quấn 360 vòng dây d = 0,3 mm.
Phần kết luận
Bộ khuếch đại class D đã phát triển rất nhiều kể từ lần đầu tiên được phát

minh ra, đạt mức hiệu suất tương tự như bộ khuếch đại thông thường, và
thậm chí còn tốt hơn ở một số khía cạnh. Những tiến bộ gần đây trong kỹ
thuật điều chế lớp D đã cho phép các bộ khuếch đại Class D phát triển
những ứng dụng mà bộ khuếch đại tuyến tính đã thống trị bấy lâu nay.
Bộ khuếch đại Class D hiện đại bao gồm tất cả những ưu điểm của bộ khuếch
đại Class AB (tuyến tính tốt và không gian ít) với hiệu quả năng lượng
cao. Ưu điểm lớn nhất của mạch Class D là hiệu suất cực cao, giúp cho
ampli tránh được các tấm tản nhiệt cồng kềnh, giảm kích thước, giá
thành hạ mà vẫn đảm bảo công suất lớn. Ngoài ra, cấu trúc của nó cho
đặc tính âm thanh sạch sẽ, độ chi tiết cao và có độ méo rất thấp. Chính vì
vậy mà ngày càng có nhiều nhà sản xuất đưa ra thị trường các sản phẩm
Class D. Tuy nhiên, mỗi một hãng lại có những bí quyết xử lý riêng đối
với mạch điện class D khiến cho giữa các sản phẩm class D cũng có sự
khác biệt rất lớn.
Hiện nay, có rất nhiều loại Class D bộ khuếch đại có sẵn thích hợp cho
nhiều ứng dụng. Các ứng dụng này bao gồm từ công suất thấp các ứng
dụng di động (ví dụ, điện thoại di động, máy tính xách tay).