مضخم صوت من الفئة D

مضخم الفئة D ، أو مضخم التبديل ، هو مضخم إلكتروني تعمل فيه أجهزة التضخيم (الترانزستورات، وعادةً ما تكون من نوع MOSFET ) كمفاتيح إلكترونية، وليس كأجهزة كسب خطي كما هو الحال في المضخمات الأخرى. يعمل هذا المضخم عن طريق التبديل السريع بين خطي التغذية، باستخدام تعديل عرض النبضة ، أو تعديل كثافة النبضة ، أو تقنيات مشابهة لإنتاج سلسلة من النبضات. يُستخدم عادةً مرشح تمرير منخفض لتخفيف محتوى الترددات العالية لتوفير تيار وجهد خرج تناظريين. يتم تبديد طاقة ضئيلة في ترانزستورات التضخيم لأنها تكون دائمًا إما في حالة تشغيل كاملة أو إيقاف كامل، لذا يمكن أن تتجاوز الكفاءة 90%.

وُصفت دوائر مكبرات التبديل التي تُعرف الآن باسم تشغيل الفئة D في أوائل ثلاثينيات القرن العشرين، بما في ذلك دائرة تضخيم كهربائية حصل بيرنيس د. بيدفورد على براءة اختراعها عام 1932. ^{[ 1 ]} وطُوّرت تقنيات تعديل عرض النبضة وزمن النبضة لاحقًا في ثلاثينيات القرن العشرين على يد أليك ريفز لأغراض إشارات الاتصالات ونقلها، بدلًا من تضخيم الطاقة. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

اقترح بي جيه باكساندال مصطلح الفئة D عام 1959 في سياق مذبذبات الترانزستور. وتتحقق الكفاءة العالية من خلال تصميم الأجهزة الفعالة بحيث لا يمرر التيار إلا عندما يكون الجهد المصاحب منخفضًا. في دائرة باكساندال، تم تحقيق ذلك باستخدام محث لتوجيه التيار بين الأجهزة، مما يقلل من تداخل الجهد والتيار أثناء التوصيل. ^{[ 5 ]}

كان أول منتج تجاري عبارة عن وحدة تجميع تُسمى X-10، أصدرتها شركة سينكلير راديونيكس عام 1964. إلا أن قدرتها الخرجية كانت 2.5 واط فقط . أما سينكلير X-20، التي أُصدرت عام 1966، فقد أنتجت 20 واط، لكنها عانت من عدم اتساق وقيود ترانزستورات الوصلة ثنائية القطب المصنوعة من الجرمانيوم والمتوفرة آنذاك. ونتيجة لذلك، كانت هذه المضخمات المبكرة من الفئة D غير عملية وغير ناجحة. وقد أتاح تطوير تقنية MOSFET ( ترانزستور تأثير المجال لأشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة ) المصنوعة من السيليكون ، إنتاج مضخمات عملية من الفئة D. وفي عام 1978، قدمت سوني جهاز TA-N88، وهو أول وحدة من الفئة D تستخدم ترانزستورات MOSFET للطاقة ومصدر طاقة ذي وضع تبديل . شهدت تكنولوجيا MOSFET تطورات سريعة لاحقة بين عامي 1979 و1985. وقد أدى توفر MOSFETs منخفضة التكلفة وسريعة التبديل إلى نجاح مكبرات الصوت من الفئة D في منتصف الثمانينيات. ^{[ 6 ]}

في عام 1983، تقدمت شركة ميد كيليون بطلب للحصول على براءة اختراع تصف مضخمًا متكاملًا من الفئة D مصممًا للاستخدام في أجهزة السمع. ^{[ 7 ]} وفي عام 1996، أصدرت شركة تريباث دائرة متكاملة تعتمد على مضخم من الفئة D. ^{[ 8 ]}

تم تطوير بنى مكبرات صوت من الفئة D ذات تعديل الطور. في هذه التصاميم، يتم توليد موجة تبديل عالية الطاقة على الجانب الابتدائي وتُوزع على القنوات. يتم توليد إزاحة الطور أثناء عملية إزالة التضمين وفقًا لإشارة الدخل، مما ينتج عنه خرج مُعدَّل عرض النبضة. وُصِفَ مكبر صوت من الفئة D ذو تعديل الطور في براءة اختراع مُسجَّلة باسم شركة Peavey Electronics، حيث يتم تقويم التيار المتردد الرئيسي فقط لتشغيل مرحلة التبديل الابتدائية، دون وجود خطوط تغذية تيار مستمر على الجانب الثانوي، ويتم استعادة الخرج باستخدام مرشح تمرير منخفض. ^{[ 9 ]}

تعمل مكبرات الصوت من الفئة D عن طريق توليد سلسلة من النبضات المستطيلة ذات سعة ثابتة ولكن بعرض وفصل متغيرين. يُمثل هذا التضمين تغيرات سعة إشارة الصوت التناظرية الداخلة. في بعض التطبيقات، تتم مزامنة النبضات مع إشارة صوت رقمية واردة، مما يُغني عن تحويل الإشارة إلى تناظرية. ثم يُستخدم خرج المُعدِّل لتشغيل وإيقاف ترانزستورات الخرج بالتناوب. ولأن الترانزستورات إما في حالة تشغيل كاملة أو إيقاف كامل، فإنها تُبدد طاقة ضئيلة للغاية. يوفر مرشح تمرير منخفض بسيط، يتكون من ملف حث ومكثف، مسارًا للترددات المنخفضة لإشارة الصوت، تاركًا نبضات التردد العالي خلفه. ^{[ 10 ]}

يُشابه هيكل مرحلة الطاقة من الفئة D هيكل مُحوّل باك المُقوّم بشكل متزامن ، وهو نوع من مصادر الطاقة ذات الوضع المُبدّل غير المعزولة (SMPS). ^{[ 11 ]} بينما تعمل مُحوّلات باك عادةً كمنظمات جهد ، حيث تُزوّد ​​حملاً متغيراً بجهد تيار مستمر ثابت، ولا تُزوّد ​​إلا بالتيار، فإن مُضخّم الفئة D يُزوّد ​​حملاً ثابتاً بجهد مُتغيّر باستمرار. قد يستخدم مُضخّم التبديل أي نوع من مصادر الطاقة (مثل بطارية السيارة أو مصدر طاقة داخلي من نوع SMPS)، ولكن السمة المُميّزة له هي أن عملية التضخيم نفسها تعمل عن طريق التبديل. ^{[ 12 ]}

تستخدم بعض مضخمات الصوت من الفئة D أكثر من مستويين لجهد الخرج لتحسين الكفاءة وتقليل حجم المكونات عن طريق التبديل بخطوات جهد أصغر. هذا يقلل من تيار التموج الناتج عن التبديل ويسمح باستخدام محاثات خرج أصغر. يستخدم أحد التطبيقات جسورًا نصفية ذات مكثفات طائرة لإنتاج موجات ثلاثية المستويات من خط تغذية واحد، أو موجات خماسية المستويات في تكوينات الحمل المربوط بالجسر. وقد تم إثبات ذلك في مضخمات طاقة الصوت المتكاملة. ^{[ 13 ]}

يُولد نهج بديل مستويات متعددة من جهد الخرج باستخدام أجهزة تبديل مكدسة أو متصلة على التوالي، دون مكثفات طائرة، حيث يتم توزيع إجهاد الجهد عبر الأجهزة بينما تولد مرحلة الخرج تعديل عرض النبضة متعدد المستويات. ^{[ 14 ]}

تبلغ كفاءة الطاقة النظرية لمضخمات الفئة D التي تستخدم مفاتيح مثالية 100%. أي أن كامل الطاقة المُزوَّدة لها تُوَصَّل إلى الحمل، ولا يتبدد أي جزء منها على شكل حرارة. وذلك لأن المفتاح المثالي في حالة التشغيل لا يواجه أي مقاومة، ويُمرِّر التيار بالكامل دون أي انخفاض في الجهد ، وبالتالي لا تُبدَّد أي طاقة على شكل حرارة. وعندما يكون المفتاح في حالة الإيقاف ، يكون جهد التغذية كاملاً عليه، ولكن لا يمر به أي تيار تسريب، وبالتالي لا تُبدَّد أي طاقة أيضًا. لا تُعتبر ترانزستورات MOSFET المستخدمة في التطبيقات العملية مفاتيح مثالية، ولكن الكفاءات العملية التي تتجاوز 90% شائعة في مضخمات الفئة D. في المقابل، تعمل مضخمات الفئة AB الخطية دائمًا مع مرور التيار ووجود جهد ثابت على أجهزة الطاقة. يبلغ الحد الأقصى النظري لكفاءة مضخم الفئة B المثالي 78%. أما مضخمات الفئة A (الخطية تمامًا، حيث تكون الأجهزة دائمًا في حالة تشغيل جزئي على الأقل ) فلها حد أقصى نظري يبلغ 50%، وبعض التصاميم لها كفاءات أقل من 20%. ^{[ 15 ]}

يتم اشتقاق شكل الموجة ثنائي المستوى باستخدام تعديل عرض النبضة (PWM)، أو تعديل كثافة النبضة (يشار إليه أحيانًا باسم تعديل تردد النبضة)، أو التحكم في وضع الانزلاق (يسمى بشكل أكثر شيوعًا التعديل ذاتي التذبذب ^{[ 16 ]} )، أو أشكال التعديل المنفصلة زمنيًا مثل تعديل دلتا سيجما . ^{[ 17 ]}

إحدى الطرق البسيطة لإنشاء إشارة تعديل عرض النبضة (PWM) هي استخدام مُقارِن عالي السرعة (" C " في المخطط أعلاه) يُقارن موجة مثلثية عالية التردد مع إشارة الصوت المُدخلة. يُولّد هذا سلسلة من النبضات، حيث تتناسب دورة التشغيل طرديًا مع القيمة اللحظية لإشارة الصوت. ثم يُشغّل المُقارِن مُشغّل بوابة MOS، الذي بدوره يُشغّل زوجًا من ترانزستورات التبديل عالية الطاقة (عادةً MOSFETs ). ينتج عن ذلك نسخة مُضخّمة من إشارة PWM الخاصة بالمُقارِن. يقوم مُرشّح الخرج بإزالة مُكوّنات التبديل عالية التردد من إشارة PWM، ويُعيد بناء معلومات الصوت التي يُمكن للسماعة استخدامها.

تستخدم مضخمات الإشارة الرقمية (DSP) التي تولد إشارة تعديل عرض النبضة (PWM) مباشرةً من إشارة صوتية رقمية (مثل SPDIF ) إما عدادًا لتحديد طول النبضة ^{[ 18 ]} أو تُنفذ مكافئًا رقميًا للمعدِّل المثلثي. في كلتا الحالتين، لا تتجاوز الدقة الزمنية التي توفرها ترددات الساعة العملية بضع أجزاء من مئة من دورة التبديل، وهو ما لا يكفي لضمان انخفاض مستوى الضوضاء. ونتيجةً لذلك، يتم تكميم طول النبضة ، مما يؤدي إلى تشويه التكميم . في كلتا الحالتين، تُطبق تغذية راجعة سالبة داخل المجال الرقمي، لتشكيل مُشكِّل ضوضاء ينتج عنه ضوضاء أقل في نطاق الترددات المسموعة. ^{[ 19 ]}

لا يعتمد خرج المُضخّم الفعلي على محتوى إشارة تعديل عرض النبضة (PWM) فحسب، بل قد تُسبب مصادر متعددة أخطاءً. فأي تغيير في جهد التغذية يُؤثر مباشرةً على سعة جهد الخرج. كما أن أخطاء زمن التوقف تجعل مُعاوقة الخرج غير خطية. ويتميز مُرشّح الخرج باستجابة ترددية تعتمد بشدة على الحمل.

تُعدّ التغذية الراجعة السلبية وسيلة فعّالة لمكافحة الأخطاء، بغض النظر عن مصدرها . ويمكن إنشاء حلقة تغذية راجعة تتضمن مرحلة الإخراج باستخدام مُكامل بسيط. ولإضافة مُرشِّح الإخراج، يُستخدم مُتحكِّم PID ، مع إضافة حدود تكامل إضافية أحيانًا. ونظرًا لضرورة إعادة إشارة الإخراج الفعلية إلى المُعدِّل، فإنّ توليد إشارة PWM مباشرةً من مصدر SPDIF غير مُجدٍ. ^{[ 23 ]}

يتطلب تخفيف هذه المشكلات في مضخم صوت بدون تغذية راجعة معالجة كل منها على حدة من المصدر. يمكن إلغاء تعديل مصدر الطاقة جزئيًا بقياس جهد التغذية لضبط كسب الإشارة كجزء من تحويل PWM. ^{[ 24 ]} يمكن تقليل التشوه عن طريق التبديل بسرعة أكبر. لا يمكن التحكم في مقاومة الخرج إلا من خلال التغذية الراجعة.

تتمثل الميزة الرئيسية لمضخم الصوت من الفئة D في كفاءته العالية مقارنةً بالمضخم الخطي، حيث يبدد طاقة أقل على شكل حرارة في مكوناته النشطة. وهذا أمر بالغ الأهمية، خاصةً في الأجهزة المحمولة الصغيرة التي تعمل بالبطاريات. إضافةً إلى ذلك، ونظرًا لعدم الحاجة إلى مشتتات حرارية كبيرة ، فإن مضخمات الصوت من الفئة D أخف وزنًا بكثير من مضخمات الصوت من الفئات A وB وAB، وهو عامل مهم في أنظمة الصوت المحمولة ومضخمات الصوت الجهير .

• أنظمة المسرح المنزلي المتكاملة . تتميز هذه الأنظمة الاقتصادية للسينما المنزلية بتجهيزها بمضخمات صوت من الفئة D. ونظرًا لمتطلبات الأداء المتواضعة والتصميم البسيط، فإن التحويل المباشر من الصوت الرقمي إلى PWM بدون تغذية راجعة هو الأكثر شيوعًا.
• الهواتف المحمولة . يتم تشغيل مكبر الصوت الداخلي بقدرة تصل إلى 1  واط. يتم استخدام الفئة  D للحفاظ على عمر البطارية.
• أجهزة السمع . يتم تشغيل مكبر الصوت المصغر (المعروف باسم جهاز الاستقبال) مباشرة بواسطة مضخم صوت من الفئة D لزيادة عمر البطارية إلى أقصى حد، ويمكنه توفير مستويات صوتية تبلغ 130  ديسيبل  أو أكثر. ^{[ 25 ]}
• مكبرات صوت تعمل بالطاقة ومضخمات صوت فرعية نشطة
• تعتبر صناعة الصوت عالي الجودة محافظة بشكل عام فيما يتعلق بتبني التقنيات الجديدة، ولكن مكبرات الصوت من الفئة D قد ظهرت ^{[ 26 ].}
• أنظمة تضخيم الصوت . في حالة التضخيم عالي الطاقة، يُعدّ فقد الطاقة في مضخمات الفئة AB غير مقبول. تتوفر مضخمات طاقة بقدرة خرج تصل إلى عدة كيلوواط من الفئة  D. كما تتوفر مضخمات طاقة من الفئة D  بقدرة خرج إجمالية تبلغ 3000 واط، ومع ذلك لا يتجاوز وزنها 3.6 كيلوغرام (7.9 رطل) . ^{[ 27 ]} 
• تضخيم صوت آلة الباس
• قد تستخدم مضخمات الترددات الراديوية  الفئة D أو فئات أخرى من وضع التبديل لتوفير تضخيم عالي الكفاءة لطاقة الترددات الراديوية في أنظمة الاتصالات. ^{[ 28 ]}

• فئات مكبرات الطاقة

• سانشيز مورينو، سيرجيو (يونيو 2005). "مضخمات الصوت من الفئة د - النظرية والتصميم" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 10 يونيو 2017.
• هابر، إريك : التصميم باستخدام دوائر متكاملة لمضخمات الفئة D - بعض الاعتبارات المتعلقة بتصميم الفئة D الموجهة نحو الدوائر المتكاملة  
• هاردن، بول. دليل الفني لمضخمات MOSFET "ذات الوضع المبدل"، الجزء 1 في Wayback Machine (تمت أرشفته في 2014-03-08) - مقال حول تصميم مضخمات الترددات اللاسلكية الرقمية الأساسية، موجه لهواة الراديو ولكنه قابل للتطبيق على مضخمات الصوت من الفئة D.