Усилители класса D
Усилители класса D [1] характеризуются более высоким КПД (теоретически почти до 95%) и сравнительно низкими нелинейными искажениями при условии использования с фильтром НЧ или резонансным фильтром. Коэффициент гармоник до 0.05%. Транзисторы, регулируя ток через нагрузку, принимают только два состояния: «включено» - падение напряжения на транзисторе близко к нулю и «выключено» - ток через транзистор практически равен нулю. Переход из одного состояния в другое происходит достаточно быстро (как правило, десятки наносекунд). Непрерывное и плавное регулирование тока или напряжения нагрузки в широких пределах осуществляется тем или иным видом времяимпульсной модуляции (частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ) или широтно-импульсной модуляцией (ШИМ)). Звуковой диапазон данного класса усилителей мощности варьируется в зависимости от сферы применения и составляет, как правило, от 20 Гц до 20 кГц для работы с аудиоаппаратурой и от 10 кГц до 100 кГц для работы с гидроакустической аппаратурой. Развиваемая мощность достигает значений от сотней Вт до десятков кВт.
При ёмкостной нагрузке с увеличением частоты сигнала сопротивление ёмкости уменьшается. В случае, когда усилитель мощности нагружен на индуктивность, с ростом частоты сопротивление индуктивности увеличивается
Рассмотрим пример.
Типовая структурная схема усилителя мощности класса D, изображённая на рис. 4, состоит из входного усилителя, обеспечивающего требуемое входное сопротивление, компаратора напряжения, на второй вход которого подается пилообразное напряжение, и выходного каскада, собранного на комплементарных полевых транзисторах. Именно эти транзисторы и обеспечивают необходимую выходную мощность. Их быстродействие определяет к.п.д. усилителя.
Для детального понимания рассмотрим реальную модель усилителя мощности класса D [2], которая изображена на рис. 5
В данной схеме резисторы R4 и R1 определяют глубину отрицательной обратной связи, которая влияет на коэффициент усиления усилителя и его нелинейные искажения. Резисторы R3 и R2 задают режим работы дифференциального усилителя на входе микросхемы по постоянному току (половина питания). Диоды D1 и D2 защищают выходной каскад от перенапряжения. Фильтр, выделяющий из ШИМ звуковой сигнал, собран на индуктивности L1 и конденсаторе C8. Емкости C1 и C9 являются разделительными.
На практике нашли применение две схемы выходных каскадов: полумостовая и мостовая [2].
Полумостовой выходной каскад усилителя класса D
рис.6 
Диоды VD1 и VD2 обеспечивают обмен реактивной энергией между источниками питания и нагрузкой. На Рис. 6 (б) приведены эпюры выходного напряжения и токов в элементах выходного каскада, выполненного по схеме Рис. 6 (а) при чисто индуктивной нагрузке (основная гармоника тока 
отстает от основной гармоники напряжения Vout на 90°) и двухполярной ШИМ. Видно, что при достаточно большой индуктивности нагрузки ток поочередно протекает через открытый транзистор соответствующего плеча полумоста и через диод противоположного плеча. Когда ток нагрузки протекает через транзистор, происходит потребление энергии от источника, а когда через диод— возврат энергии в источник (рекуперация). Поскольку выходное напряжение каскада принимает значения ±Еп, пульсации тока весьма значительны. Очевидно, что реализовать однополярную ШИМ в этой схеме можно только в случае, если параллельно нагрузке включить дополнительный двунаправленный ключ, который будет открываться при запирании транзистора полумоста.
Мостовой выходной каскад усилителя класса D
Рис. 7
На Рис. 7 (а) приведена мостовая схема оконечного каскада усилителя класса D, а на Рис. 7 (б) — эпюры, поясняющие электрические процессы в нем при работе с однополярной ШИМ на индуктивную нагрузку.
Для реализации однополярной ШИМ можно предложить следующий алгоритм. Транзисторы одного из полумостов, например, VT1 и VT2 открываются поочередно в зависимости от полярности входного напряжения, т. е. они как бы задают знак выходного напряжения. Два других транзистора VT3 и VT4, также поочередно переключаясь, но с большей частотой, осуществляют собственно широтно-импульсную модуляцию. На Рис. 7 (б) представлены эпюры для случая, когда VIN > 0. При этом постоянно открыт транзистор VT1 а VT3 модулирует питающее напряжение Vs. Пока ток нагрузки отрицателен, он протекает постоянно через диод VD1.
Когда транзистор VT3 открыт, ток нагрузки протекает через него. При этом нагрузка оказывается замкнутой почти накоротко открытыми диодом VD1 и транзистором VT3. Напряжение на нагрузке практически равно нулю и ток меняется очень мало. При закрытом VT3 открывается диод VD4 и к нагрузке подключается напряжение Vs отрицательной полярности. В результате ток начинает быстро снижаться по абсолютной величине. Когда ток нагрузки 
меняет направление, он начинает протекать через открытый на протяжении всего полупериода входного сигнала транзистор VT1. При открытом транзисторе VT4 ток течет через него, а когда он закрыт — через диод VD4, который вместе с транзистором VT1 замыкает нагрузку практически накоротко. Из диаграмм видно, что при однополярной модуляции пульсации тока нагрузки заметно меньше, чем при разнополярной.
Класс E
Усилитель класса E [1] представляет собой усилитель, работающий в ключевом режиме. Характеризуется высоким КПД (около 90%), коэффициент гармоник примерно до 0.07%
На вход транзистора, работающего в ключевом режиме, подается высокочастотный сигнал, полезная информация в котором содержится в его частоте и фазе. Амплитудная модуляция в нем отсутствует. Ввести амплитудную составляющую модуляции можно, изменяя напряжение питания этих усилителей в DC-DC преобразователях.
В схеме усилителя класса E, изображённой на рис. 9, транзистор VT1 работает в качестве электронного ключа, конденсатор C0 предотвращает протекание постоянного тока по сопротивлению нагрузки R. Для упрощения понимания основных принципов работы усилителя класса E воспользуемся эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 10.
При замыкании ключа S, ток, протекающий по индуктивности L, начинает возрастать по экспоненциальному закону. Так как сопротивление открытого ключа равно нулю, то и напряжение на нем в этот момент равно нулю.
При размыкании ключа S ток индуктивности IL начинает заряжать конденсатор C, в состав которого входят и все паразитные емкости схемы. Ток через ключ в это время равен нулю. К сожалению, напряжение и ток на выходе усилителя, изображенного на рисунке 8, существенно отличаются от синусоидальных. Такой сигнал подавать в антенну нельзя. Поэтому для того, чтобы пропустить на выход схемы только сигнал основной частоты, между сопротивлением нагрузки и выходом усилителя ставят LC контур. Подобная принципиальная схема усилителя класса E приведена на рисунке 11.
Для понимания принципов работы удобнее пользоваться упрощенной схемой, поэтому составим функциональную схему, она приведена на рисунке 12.
Собственно усилитель образуется электронным ключом S, индуктивностью L и конденсатором CP. При этом элементы L0 и C0 образуют колебательный контур, который настроен на основную гармонику полезного сигнала. Он пропускает на выход синусоидальный ток, который протекает по сопротивлению нагрузки RL.
Реактивный компонент jX вносит необходимый фазовый сдвиг между выходным напряжением U0(t) и напряжением на ключе US(t)
Применение усилителей мощности, работающих в ключевом режиме:
В качестве основных сфер применения можно выделить следующие области:
1) Применение усилителей мощности для возбуждения передающей антенны в гидроакустической аппаратуре (судовые эхолоты, стационарные станции, донные антенны, буи-ответчики, подводные диверсионные станции слежения)
2) Применение усилителей мощности для регулирования мощности и скорости вращения двигателя электротранспорта за счёт изменения соотношения времени включенного и выключенного состояния ключа. (электрички, трамваи, троллейбусы).
3) Применение усилителей мощности в автомобильной промышленности (электромобили, аналогично п.2).
Перспективы развития
Среди перспектив развития усилителей мощности класса D, Е можно выделить увеличение мощности на выходе оконечного каскада и увеличение рабочей частоты.
Выводы
1) главной особенностью усилителей мощности, работающих в ключевом режиме, является сравнительно высокий к.п.д. в сумме с большой развиваемой мощностью.
2) Усилители D, E класса сравнительно компактные, что даёт им преимущество во всех сферах применения.
3) Усилители D, E класса обладают сравнительно низкими искажениями сигнала.
Список литературы
- Войшвилло Г. В. Усилительные устройства: Учебник для ВУЗов - М.: Радио и связь, 1983 г.
2. Волович Г.И. Схемотехника аналоговых и аналогово-цифровых электронных устройств, М.: Издательский Дом «ДОДЭКА-XXI», 2005 г.
3. Журнал Автозвук №8, стр. 25-27 — Издательский Дом «Сигма», Москва, 2001 г.