Rocket Sound

ทฤษฎีพื้นฐานที่นำมาสนับสนุนการทำงานของเพาเวอร์แอมป์ PWM (หรือเพาเวอร์แอมป์ Class D)นั้น ดูจะเป็นที่รู้กันมานานกว่า 30 ปีแล้ว จึงพอสรุปได้ว่า เพาเวอร์แอมป์ Class-D ไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์ใหม่อย่างที่หลายๆคนเชื่อกันอยู่ ในการทำงานของเพาเวอร์แอมป์ เราจะจำแนกประเภทของเพาเวอร์แอมป์ ด้วยลักษณะการทำงานของภาคเอาท์พุท อาทิ Class-A, Class-B  เป็นต้น หากแต่การตั้งชื่อเรียก Class-D จะหมายถึงความเป็นเพาเวอร์แอมป์ดิจิตอล ที่รับอินพุทเข้าในแบบดิจิตอล(แม้จะต้องใช้การผสมผสานคลื่นก็ตาม) และกำเนิด PWM ในแบบดิจิตอลสมบูรณ์ ที่ถูกเรียกว่า “เพาเวอร์แอมป์ดิจิตอล”

กล่าวได้ว่านาย Clive Sinclair  เป็นผู้ให้กำเนิดชุด “คิท” ของเพาเวอร์แอมป์ Class-D ในระบบ hi-fi ที่มีขนาดกำลังขับ 10 วัตต์ มาตั้งแต่ก่อนปี 1970 (โดยจำหน่ายในชื่อเรียก SINCLAIR X10) และในเวลาต่อมานาย Harris ก็ได้นำมาประยุกต์เพิ่มคุณค่าจนกลายเป็นเพาเวอร์แอมป์ Class-D ขนาดกำลังขับ 200 วัตต์ในปี 1995 และกลายเป็นแกนหลักที่เกื้อหนุนการพัฒนาเพาเวอร์แอมป์ Class-D ทั้งหลายในยุคปัจจุบัน

การทำงานแบบแอมป์ Class-D

วิศวกรที่รับหน้าที่ออกแบบระบบเสียงส่วนมาก ทราบกันดีอยู่แล้วสำหรับความได้เปรียบในด้านประสิทธิผลของกำลังขยายจากเพาเวอร์แอมป์ Class-D ที่มีมากกว่าเพาเวอร์แอมป์ขยายเสียงเชิงเส้นคลาสอื่นๆ อาทิ Class-A, B และ AB ในเพาเวอร์แอมป์ขยายเสียงเชิงเส้นอย่าง Class-AB กำลังขับจำนวนมากได้สูญเสียไปในขั้นตอนของการไบอัส และลักษณะการทำงานที่เป็นเชิงเส้นของทรานซิสเตอร์เอาท์พุท ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ที่ใช้กันในเพาเวอร์แอมป์ Class-D จะมีหน้าที่หลักแค่เป็นการสลับสวิทช์เพื่อปล่อยกระแสให้ไหลผ่านไปยังโหลดภาระ มันจึงมีการสูญเสียในด้านกำลังขยายที่ต่ำกว่าอย่างมากๆในภาคส่วนของกำลังขาออก

กำลังขยายที่สูญเสียเพียงน้อยนิดในเพาเวอร์แอมป์ Class-D ส่วนมากมักมาจากส่วนของการต้านทานในทรานซิสเตอร์เอาท์พุทในขณะทำการสวิทช์ และความร้อนของกระแสเฉื่อยในระบบ และเป็นที่ทราบกันดีอยู่แล้วว่า การสูญเสียด้านกำลังขยายโดยทั่วไปของเพาเวอร์แอมป์จะถูกนิยามด้วยอุณหภูมิของการแผ่กระจายความร้อน ซึ่งสำหรับเพาเวอร์แอมป์ Class-D นั้นสามารถลดพื้นที่หรือแทบจะไม่ต้องใช้แผงระบายความร้อนเลยก็ได้ และนี่คือแนวคิดหลักอันสำคัญในการประยุกต์ใช้กำลังขยายวัตต์สูง ให้มีขนาดที่ค่อนข้างกะทัดรัด

ในด้านต่างๆ ความได้เปรียบของประสิทธิผลในกำลังขยายในเพาเวอร์แอมป์ Class-D ที่ใช้หลักการพื้นฐาน PWM จะถูกบดบังด้วยการที่จะต้องมีต้นทุนของอุปกรณ์ฟิลเตอร์ภายนอก, การยอมรับในเรื่อง EMI/EMC, และประสิทธิภาพอันเลวร้ายของค่า THD+N เมื่อนำไปเปรียบเทียบกับเพาเวอร์แอมป์ที่ทำงานแบบเป็นเชิงเส้นคลาสอื่นๆ อย่างไรก็ตาม, เพาเวอร์แอมป์ Class D ในยุคสมัยใหม่จะมีการใช้หลักการผสมคลื่นที่ก้าวหน้าขึ้นและเทคนิคการป้อนกลับที่ถูกทำให้เบาบางลง ซึ่งนั่นหมายถึงมันจะมีเสถียรภาพการใช้งานที่ดียิ่งขึ้น

หลักการพื้นฐานของแอมป์ Class D

แม้นว่าแบบโครงสร้างพื้นฐานของการผสมคลื่นที่ใช้กันในเพาเวอร์แอมป์ Class-D รุ่นใหม่ๆ จะมีความหลากหลายทางรูปแบบมากขึ้นก็ตาม แต่แบบโครงสร้างพื้นฐานที่ยังถูกใช้กัน คือการผสมคลื่นแบบแถบกว้าง(PWM)ด้วยตัวกำเนิดคลื่นรูปสามเหลี่ยม(triangle-wave) หรือคลื่นฟันเลื่อย แผนผังพื้นฐานของ PWM, ในภาคส่วนของเพาเวอร์แอมป์ Class D ประกอบด้วยส่วนการผสมคลื่นแถบกว้าง, อุปกรณ์ MOSFET ในส่วนเอาท์พุทสองชุด และตัวฟิลเตอร์ผ่านเสียงต่ำที่ต่อร่วมอยู่ (Lf และ Cf) เพื่อกลับคืนสภาพของสัญญาณเสียง

คุณลักษณ์การทำงานในส่วน p-channel และ n-channel ของ MOSFET ในการสลับสวิทช์เพื่อปล่อยกระแสให้ไหลสลับกันไป-มา โดยต่อตรงเข้ากับส่วนเอาท์พุทของเพาเวอร์แอมป์ Class D ในรูปคลื่นสีเหลี่ยมความถี่สูง ในการสวิทช์ความถี่(fsw)สำหรับเพาเวอร์แอมป์ Class-D ส่วนมากจะมีความถี่อยู่ระหว่าง 250 kHz ถึง 1.5 MHz คลื่นสีเหลี่ยมทางเอาท์พุทนี้ได้ถูกผสมรวมกับสัญญาณเสียงขาเข้า คลื่น PWM ที่เสร็จสิ้นแล้วนี้จะถูกนำไปเทียบเข้ากับสัญญาณเสียงขาเข้าภายในตัวกำเนิดคลื่นสามเหลี่ยม(หรือคลื่นฟันเลื่อย) การผสมคลื่นในลักษณะเช่นนี้บางครั้งก็ถูกเรียกว่า “การสุ่มในแบบธรรมชาติ” โดยคลื่นสามเหลี่ยมที่ถูกกำเนิดขึ้นจะทำหน้าที่เป็นตัวแสดงเวลาในการสุ่มจับ ผลที่ได้คือรอบเวลาของคลื่นสี่เหลี่ยมที่สอดคล้องเหมาะสมกับระดับของสัญญาณอินพุท ในขณะที่ไม่มีสัญญาณเข้ามา รอบเวลาของรูปคลื่นขาออกจะเท่ากับที่ 50% ในภาพที่ 2 แสดงให้เห็นถึงผลลัพธ์ทางรูปคลื่น PWM เอาท์พุท ที่สัมพันธ์กับการเปลี่ยนแปลงของสัญญาณอินพุท

การป้อนกลับ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดีขึ้น

เพาเวอร์แอมป์ Class-D ส่วนมาก จะนิยมใช้การป้อนกลับเชิงลบจากเอาท์พุท PWM กลับเข้ามายังส่วนของอุปกรณ์อีกครั้ง โดยทำงานในแบบวงรอบปิด ที่ไม่เพียงแต่ช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพที่เป็นเชิงเส้นของอุปกรณ์เท่านั้น แต่ยังมีผลให้อุปกรณ์ไม่ต้องละทิ้งกำลังไฟได้ด้วย ซึ่งการทำงานจะแตกต่างกับเพาเวอร์แอมป์ที่ใช้แบบวงรอบเปิด ซึ่งจะเกิดการละทิ้งกำลังไฟบ้างในระดับต่ำๆ ด้วยเหตุที่ว่ารูปคลื่นเอาท์พุทที่ป้อนกลับไปยังภาคอินพุทของเพาเวอร์แอมป์จะใช้การสัมผัสในแบบโครงสร้างวงรอบปิด โดยใช้การเบี่ยงเบนในรางไฟทำหน้าที่ตรวจจับที่จุดเอาท์พุทและตรวจสอบด้วยวงรอบควบคุม ข้อได้เปรียบของการออกแบบเป็นวงรอบปิดคือสามารถควบคุมราคาต้นทุนได้คงที่ สำหรับระบบที่มีการใช้ประโยชน์ของการป้อนกลับ แน่นอนว่า วงรอบควบคุมนั้นจะต้องออกแบบอย่างระมัดระวังและต้องมีการชดเชยผลลัพธ์ให้คงที่ภายใต้สภาวะการทำงานต่างๆ

การทำงานของเพาเวอร์แอมป์ Class-D ทั่วไป ด้วยวงรอบป้อนกลับชนิดรูปแบบเสียงกวน(noise-shaping) จะช่วยในการลดเสียงรบกวนในแถบเสียงที่เกิดจากการผสมคลื่นแถบกว้างที่ไม่เป็นเชิงเส้น และจากการหักเหของแรงดันไฟ แบบโครงสร้างนี้คล้ายๆกับรูปแบบเสียงกวนที่ใช้ในการผสมลักษณะ sigma-delta ใช้การป้อนกลับในอัตราส่วนเท่ากับ 1 ดังนั้นลักษณะการถ่ายนำสำหรับวงจรรวมจะเท่ากับ 1/s เพราะว่าอัตราการขยายของวงจรรวมจะถูกกลับขั้วเฟสของความถี่ นั่นเท่ากับสมมุติฐานของ PWM มีค่าเป็นเอกภาพ(unity-gain) และไม่มีการเลื่อนไปทางเฟส(zero-phase-shift) ในการทำงานของวงรอบควบคุม