صدای تغییر: از تقویت کننده های صوتی آنالوگ به دیجیتال
هنگامی که اولین محصول صوتی تجاری موجود در جهان با استفاده از تقویت کننده دیجیتالی در سال 1998 ظاهر شد ، با عملکرد و سهولت استفاده بسیار هیجان انگیز شد.
تقویت کننده های دیجیتالی مزایای متعددی نسبت به مدارهای سنتی مبتنی بر آنالوگ دارند ، مانند جزئیات خوب ، ایمنی سر و صدا ، راندمان بالا و قابلیت تنظیم که سیستم دیجیتال اجازه می دهد. علاوه بر این ، از آنجا که طراحی پردازش صدا در حال حاضر نرم افزار محور است ، می توان تغییرات را با تأثیر کمتری بر برنامه طراحی سریعتر انجام داد. در نتیجه این مزایا ، تقویت کننده دیجیتالی تنها در چند سال کوتاه پیشرفت زیادی کرده است و پیش بینی می شود ظرف پنج تا 10 سال به فناوری تقویت کننده صوتی غالب در بازار تبدیل شود.
تقویت کننده دیجیتال فقط دو حالت خروجی دارد. با استفاده از پاور به عنوان سوئیچ های خاموش ، یک ولتاژ DC ثابت را روی بلندگو در جهت مثبت یا منفی اعمال می کند. این باعث می شود که جریان مثبت یا منفی به بلندگو وارد شود. تقویت کننده دیجیتال با تنظیم چرخه کارکرد این سیگنال مثبت/منفی با سرعت بالا (معمولاً 384 کیلوهرتز) مجدداً سیگنال صوتی را ایجاد می کند. برای ایجاد جریان مثبت در بلندگو ، چرخه کار باید بیشتر از 50 درصد باشد. جریان منفی کمتر از 50 درصد و در 50 درصد جریان صفر است.
بلندگو را می توان با این روش بسیار دقیق کنترل کرد و بنابراین آمپلی فایر دیجیتال قادر به تولید جزئیات بسیار دقیق است ، که اساساً یک تولید مثل دقیق از منبع منبع ایجاد می کند. مزایای دیگر شامل راندمان بالای توپولوژی (بیش از 90 درصد) و مصونیت نویز مجازی مسیر سیگنال دیجیتال است.
برخی در صنعت همچنین تقویت کننده های ورودی آنالوگ کلاس-D را “تقویت کننده های دیجیتالی” می نامند زیرا آنها فقط دو حالت خروجی دارند. نسخه ورودی آنالوگ عموماً در سیستم هایی استفاده می شود که کارایی بالایی مورد نیاز است
دو مسیر صوتی
سیستم تقویت کننده دیجیتال سیگنال صوتی را تقریباً در دامنه دیجیتال تا بلندگو نگه می دارد ، در حالی که سیستم مبتنی بر آنالوگ در اوایل کار سیگنال را به آنالوگ تبدیل می کند.
تقویت کننده دیجیتال شامل دو دستگاه است ، پردازنده مدولاسیون عرض پالس (PWM) و مرحله توان. پردازنده PWM سیگنال مدولاسیون کد پالس را علاوه بر انجام پردازش دیجیتالی 48 بیتی ، مانند تریبل اصلی ، بیس ، کنترل صدا و عملکردهای پیشرفته تر مانند فشرده سازی یا بلندی دامنه پویا ، به PWM تبدیل می کند. در مقابل ، عملکردهای مشابه معمولاً پس از مبدل دیجیتال به آنالوگ در سیستم آنالوگ ، معمولاً با IC های مبتنی بر op amp ، اجرا می شوند.
پردازش دامنه دیجیتال مزایای زیادی را برای مهندس طراحی صدا ارائه می دهد. به عنوان مثال ، تغییر تنظیمات یا عملکرد به صورت دیجیتالی بسیار ساده تر است و حتی می توان آن را در خط تولید یا در خانه کاربر نهایی انجام داد. پردازش 48 بیتی تضمین می کند که مصنوعات حاصل از پردازش به مراتب زیر سطح نویز باقی بمانند.
هر دو سیستم مبتنی بر دیجیتال و آنالوگ حاوی فیلتر درون یابی (IF) هستند که سیگنال اصلی را بیش از حد نمونه برداری می کند. به دنبال IF ، تقویت کننده دیجیتال شکل نویز مرتبه پنجم را انجام می دهد ، که باعث می شود نویز از فرایند تبدیل به فرکانس های اولتراسونیک منتقل شود و باند صوتی عملاً عاری از سر و صدا شود. سپس سیگنال به PWM تبدیل می شود و از آنجا که این تبدیل غیرخطی است ، در این مرحله باید تصحیح شود.
سیگنال PWM یک سیگنال یک بیتی (یعنی دو سطح) است که با سرعت بسیار بالا (4096 برابر فرکانس نمونه ورودی یا حدود 200 مگاهرتز) نمونه برداری می شود. زمانبندی برای PWM برای ایجاد مجدد سیگنال ورودی بسیار مهم است و بنابراین ساعتهای داخلی با تکان دادن بسیار کم ضروری هستند. تقویت کننده های ورودی آنالوگ Class-D سیگنال PWM را از طریق مدارهای آنالوگ پیشرفته تولید می کنند.
هنگامی که سیگنال به PWM تبدیل می شود ، سپس به مرحله قدرت می رود و در آنجا شرایط خطا بررسی می شود و کنترل زمان اعمال می شود. سپس سیگنال به درایورهای گیت منتقل می شود ، که سوئیچ های Mosfet را کنترل می کنند. عملکردهای دیگر در مرحله توان شامل تشخیص و بازیابی از شرایط خطا مانند جریان بیش از حد ، دمای بیش از حد و زیر ولتاژ است. تقویت کننده ورودی آنالوگ Class-D دارای معماری مرحله قدرت مشابهی است.
در آخرین مرحله ، یک فیلتر سلف-خازن کم گذر بعد از مرحله قدرت ، اجزای فرکانس بالا را از سیگنال صوتی حذف می کند تا تداخل الکترومغناطیسی را کاهش دهد ، و این به طور موثر تبدیل دیجیتال به آنالوگ است. بدون این فیلتر سلف و خازن ، بلندگو خود تبدیل مبدل D/A می شود.
این تبدیل آنالوگ هیچگونه اعوجاجی در سیگنال ایجاد نمی کند ، زیرا تقویت کننده دیجیتال با اجزای غیرفعال سیگنال را به آنالوگ تبدیل می کند. تبدیل از دیجیتال به آنالوگ در ولتاژ خروجی نهایی اتفاق می افتد ، بنابراین بعید است که نویز قابل شنیدن افزایش یابد. در مقابل ، تبدیل آنالوگ به عنوان اولین مرحله در تقویت کننده آنالوگ رخ می دهد و در ولتاژ سطح پایینی قرار دارد ، که سپس پردازش و تقویت می شود. هرگونه نویز بر روی این سیگنال سطح پایین از پردازش یا از اتصال نیز تقویت می شود و بر کیفیت سیگنال نهایی تأثیر می گذارد.
