Một nhận xét phổ biến về bộ khuếch đại Class D là chúng làm giảm chất lượng âm thanh để đạt được hiệu suất. Tuy nhiên, những năm gần đây đã chứng kiến sự phát triển đáng kể trong công nghệ Class D, đến mức nó có thể tái tạo tín hiệu âm thanh một cách gần như lý tưởng. Để giải thích rõ hơn, một bộ khuếch đại lý tưởng có độ méo rất thấp trong toàn bộ dải tần âm thanh và độ nhiễu rất thấp, vì vậy bạn có một nền sạch, không bị nhiễu khi nghe nhạc. Đây chính là một trong những lý do tại sao Class D ngày nay mang lại chất lượng âm thanh tương đương, hoặc thậm chí tốt hơn so với các bộ khuếch đại tuyến tính cao cấp – không còn phải đánh đổi giữa hiệu suất và chất lượng âm thanh..

Định nghĩa cơ bản

Bộ khuếch đại âm thanh Class D về cơ bản là bộ khuếch đại chuyển mạch hoặc bộ khuếch đại PWM.Sẽ có một số loại bộ khuếch đại khác nhau.

Lớp khuếch đại này hoạt động theo nguyên lý chuyển mạch hoặc

 điều chế độ rộng xung (PWM) như đã đề cập ở trên. Đây cũng là trọng tâm chính của ghi chú ứng dụng này. các phần tử chuyển mạch luôn hoạt động ở hai trạng thái hoàn toàn bật hoặc hoàn toàn tắt, giúp giảm đáng kể tổn thất công suất trên các linh kiện đầu ra.
Hiệu suất đạt từ 90–95% là hoàn toàn khả thi. Tín hiệu âm thanh được dùng để điều chế tín hiệu sóng mang PWM; tín hiệu đã điều chế này sẽ điều khiển các thiết bị đầu ra. Ở giai đoạn cuối, một bộ lọc thông thấp được sử dụng để loại bỏ thành phần tần số cao của sóng mang PWM.

Lịch sử

Mục tiêu của các bộ khuếch đại âm thanh là tái tạo các tín hiệu âm thanh đầu vào tại các phần tử tạo âm thanh, với mức âm lượng và công suất mong muốn – một cách trung thực, hiệu quả và ít biến dạng. Tần số âm thanh nằm trong khoảng từ 20 Hz đến 20 kHz, vì vậy bộ khuếch đại phải đáp ứng tốt trong phạm vi này (hoặc thấp hơn khi điều khiển các loa chỉ hoạt động trong một phần dải tần, chẳng hạn như loa trầm hoặc loa tweeter). Yêu cầu về công suất có thể thay đổi rất lớn tùy theo ứng dụng: từ vài milliwatt đối với tai nghe, đến vài watt cho hệ thống âm thanh TV hoặc PC, đến hàng chục watt cho các hệ thống âm thanh gia đình “mini” và âm thanh ô tô, rồi đến hàng trăm watt hoặc hơn cho các hệ thống âm thanh gia đình cao cấp và thương mại — đủ mạnh để lấp đầy rạp hát hoặc hội trường bằng âm thanh..

Một cách triển khai analog đơn giản của bộ khuếch đại âm thanh sử dụng transistor ở chế độ tuyến tính để tạo ra điện áp đầu ra là bản sao tỷ lệ của điện áp đầu vào. Độ lợi điện áp thuận thường cao (ít nhất 40 dB). Nếu độ lợi vòng lặp thuận là một phần của vòng lặp phản hồi, độ lợi vòng lặp tổng thể cũng sẽ cao. Phản hồi thường được sử dụng vì độ lợi vòng cao cải thiện hiệu suất—ngăn chặn biến dạng do tính phi tuyến trong đường truyền xuôi và giảm nhiễu nguồn bằng cách tăng khả năng loại bỏ nguồn (PSR).

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của mạch Class D là sử dụng các tín hiệu xung đơn giản, có tần số cao để tạo ra dòng điện biến đổi giữa nguồn và tải. Các tín hiệu xung này được tạo ra bằng cách so sánh một tín hiệu đầu vào analog với một tín hiệu sóng vuông được tạo bởi một bộ đếm thời gian (timer). Khi tín hiệu đầu vào cao hơn tín hiệu sóng vuông, mạch sẽ đưa dòng điện lên. Khi tín hiệu đầu vào thấp hơn tín hiệu sóng vuông, mạch sẽ đưa dòng điện xuống.

Các xung tín hiệu này được chuyển đổi thành dòng điện AC, sau đó được lọc để loại bỏ các thành phần cao tần gây nhiễu và cuối cùng được đưa đến tải. Điều này làm giảm tổn thất công suất và tăng hiệu suất của mạch

Mạch Class D thường được sử dụng để khuếch đại tín hiệu âm thanh và đánh các loa. Hiệu suất của mạch này rất cao, vì nó không sử dụng các linh kiện trở, tụ lọc, hay tụ điện lớn như các mạch khuếch đại khác, dẫn đến tổn thất công suất và nhiễu thấp hơn.

Mạch Class D có thể được chia thành hai loại chính là single-ended và push-pull. Mạch single-ended thường được sử dụng cho các ứng dụng công suất nhỏ, trong khi mạch push-pull được sử dụng cho các ứng dụng công suất lớn hơn.

Mạch Class D thường được sử dụng trong các thiết bị âm thanh như ampli công suất, bộ điều khiển loa, hệ thống âm thanh ô tô, và cả hệ thống âm thanh gia đình.

Ưu nhược điểm

Ưu điểm:

Ưu điểm vượt trội của bộ khuếch đại Class D nằm ở hiệu quả đáng kinh ngạc, kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ. Bằng cách sử dụng bóng bán dẫn chuyển mạch để tạo ra tín hiệu đầu ra, chúng vượt trội trong việc chuyển đổi năng lượng điện thành âm thanh, đạt hiệu quả đặc biệt. Hiệu quả này mang lại những lợi ích hữu hình:

Hiệu quả năng lượng: Bộ khuếch đại Class D khuếch đại tín hiệu âm thanh với lượng lãng phí nhiệt tối thiểu. Các bộ khuếch đại Class D điển hình đạt hiệu suất 80-90% (bộ khuếch đại tiên tiến nhất của ICEpower có thể đạt tới 97%), trong khi các bộ khuếch đại tuyến tính chỉ đạt khoảng 40-60% đối với Class AB và thường dưới 10% đối với Class A.

Kích thước nhỏ gọn: Nhờ thiết kế hiệu quả, bộ khuếch đại Class D có kích thước và trọng lượng giảm so với các bộ khuếch đại tuyến tính. Yếu tố hình thức nhỏ gọn này khiến chúng lý tưởng cho các ứng dụng trong môi trường hạn chế về không gian.

Hoạt động mát mẻ: Trái ngược hoàn toàn với các bộ khuếch đại tuyến tính, vốn có xu hướng tỏa ra lượng nhiệt đáng kể, các bộ khuếch đại Class D hoạt động tương đối mát mẻ. Hoạt động làm mát này mang lại một số lợi thế, bao gồm kéo dài tuổi thọ và giảm nhu cầu sử dụng các bộ tản nhiệt và quạt cồng kềnh và nặng nề.

Âm thanh trong suốt: Đưa chất lượng âm thanh lên hàng đầu, bạn có thể tận hưởng âm thanh rõ ràng với độ ồn thấp và độ méo thấp, mang lại trải nghiệm nghe tối ưu. Và nếu bạn thích âm thanh của bộ khuếch đại tuyến tính thì sao? Bạn có thể điều chỉnh bộ khuếch đại Class D để âm thanh giống như vậy. Nhưng tại sao không chọn trải nghiệm âm thanh sắc nét và rõ ràng hơn?

Những đặc tính này khiến bộ khuếch đại Class D trở thành lựa chọn hiển nhiên cho các ứng dụng yêu cầu công suất cao trong kích thước nhỏ gọn, với mức tiêu thụ năng lượng thấp và tản nhiệt tối thiểu.

Nhược điểm:

• Amply class D chạy chương trình có bản chất là hệ nhị phân (binary), không thể tái tạo hết nguyên bản tín hiệu của âm thanh.
• Chất lượng tiếng đầu ra của mạch Class D được đánh giá khá tốt, nhiều tạp âm và tỷ lệ S/N (Signal/Noise - Mức độ tín hiệu mong muốn và mức độ tiếng ồn xung quanh) khá cao.

Tất cả mọi sản phẩm đều có những ưu điểm, nhược điểm riêng, hiểu được bản chất cũng như đặc điểm của từng sản phẩm để có thể đưa ra những lựa chọn phù hợp với mình nhất.

Chi phí hệ thống

Các thành phần tích cực của bộ khuếch đại Class D là tầng đầu ra chuyển mạch và bộ điều chế. Mạch này có thể được chế tạo với chi phí tương đương với một bộ khuếch đại tuyến tính tương tự. Những đánh đổi thực sự xảy ra khi xem xét các thành phần khác của hệ thống.Sự tiêu tán nhiệt thấp hơn của Class D giúp tiết kiệm chi phí (và không gian) cho các thiết bị làm mát như tản nhiệt hoặc quạt. Bộ khuếch đại mạch tích hợp loại D có thể sử dụng vỏ nhỏ hơn và rẻ hơn so với bộ khuếch đại tuyến tính. Khi được điều khiển từ nguồn âm thanh kỹ thuật số, các bộ khuếch đại tuyến tính analog yêu cầu bộ chuyển đổi D/A (DAC) để chuyển đổi âm thanh thành dạng analog. Điều này cũng đúng với các bộ khuếch đại Class D đầu vào tương tự, nhưng các loại đầu vào kỹ thuật số tích hợp hiệu quả chức năng DAC.