Hiện nay, bộ khuếch đại điện tử công suất đang được xem là một thành phần vô cùng quan trọng trong lĩnh vực âm thanh. Một số hệ thống nổi bật đang sử dụng bộ khuếch đại điện tử công suất có thể kể đến như loa Bluetooth, dàn âm thanh công suất lớn… Tuy nhiên, các thiết bị ngày nay đang đặt ra yêu cầu phải hoạt động ở hiệu suất cao và có kích thước nhỏ, điều này làm cho các kỹ sư cần nhanh chóng tìm ra các giải pháp tối ưu. Một trong những phương án hiệu quả hiện nay là sử dụng bộ khuếch đại lớp D – vừa có thể đáp ứng yêu cầu về kích thước nhỏ gọn, vừa đạt hiệu suất tới 90%. Tuy vậy, bên cạnh những ưu điểm vượt trội này, bộ khuếch đại lớp D vẫn tồn tại một số hạn chế như tổng độ méo sóng hài lớn khi phải làm việc với tải có tính kháng và dung. Bài viết này sẽ phân tích tổng quan về bộ khuếch đại lớp D và cách hạn chế độ méo sóng hài trong quá trình hoạt động.

Nguyên lý hoạt động của bộ khuếch đại lớp D

Về nguyên lý hoạt động, bộ khuếch đại lớp D hoạt động khác hoàn toàn so với bộ khuếch đại lớp A và AB. Trong đó, một sóng tam giác hoặc sóng mang tần số cao sẽ được dùng để so sánh với tín hiệu âm thanh đầu vào từ đó tạo ra chuỗi xung PWM. Các chuỗi xung PWM này thường hoạt động ở chế độ đóng hoặc mở để điều khiển cặp transistor MOSFET. Sau đó, tín hiệu PWM được lọc qua bộ lọc LC để tái tạo lại dạng tín hiệu tương tự ban đầu. 

Trong đó, tín hiệu đầu ra sẽ được giữ nguyên so với phiên bản ban đầu nếu chúng được lọc thông qua bộ lọc lý tưởng ở tần số cao. Tuy nhiên, trong một vài trường hợp sẽ xuất hiện méo sóng hài do ảnh hưởng của giới hạn phi tuyến của linh kiện, độ trễ chuyển mạch hay tải phản kháng.

Vấn đề méo sóng hài trong bộ khuếch đại lớp D

Theo lý thuyết, méo sóng hài là đại lượng phần trăm thể hiện mức độ sai lệch giữa sóng đầu ra và sóng đầu vào lý tưởng. Tại đó, méo sóng hài trong bộ khuếch đại lớp D có xuất phát  từ việc cộng hưởng chồng chéo từ nhiều yếu tố khác nhau.

Nguyên nhân đầu tiên gây ra méo sóng hài là thời gian trễ chuyển mạch giữa thời điểm  bật và tắt của hai transistor. Về lợi ích, khoảng thời gian trễ này là vô cùng cần thiết nhằm tránh hiện tượng ngắn mạch xuyên; tuy nhiên, méo sóng hài cũng xuất hiện ở vùng phi tuyến trong đáp ứng biên độ. Nguyên nhân thứ hai gây ra hiện tượng méo sóng hài xuất phát từ đặc tính phi tuyến của transistor và mạch điều khiển cổng. Và tải phản kháng là yếu tố cuối cùng có thể khiến độ méo sóng hài trong bộ khuếch đại lớp D tăng lên một cách đáng kể, dù nó thường được các kỹ sư ít quan tâm đến. 

Cách thức để kiểm soát và giảm méo sóng hài trong bộ khuếch đại lớp D

Hiện nay có rất nhiều cách để giảm méo sóng hài, trong đó việc mở rộng phản hồi toàn phần đang được xem là một trong những phương pháp hiệu quả nhất. Tại đây, bộ khuếch đại có thể tự động điều chỉnh sai lệch do tải phản kháng gây ra bằng cách lấy tín hiệu sau bộ lọc LC và đưa ngược trở về bộ điều khiển PWM. Một phương pháp khác có thể nhắc đến là việc điều khiển kỹ thuật số đa vòng. Tại đây, chúng sẽ tách phản hồi thành hai nhánh riêng biệt, trong khi một nhánh là trước bộ lọc xử lý sai lệch chuyển mạch và nhánh còn lại là sau bộ lọc bù tải. Không chỉ vậy, để hệ thống tự tạo sóng mang và điều chế dựa trên phản hồi từ đầu ra, một số đơn vị sản xuất ngày nay đã sử dụng thêm kỹ thuật self-oscillating class D. Việc này không chỉ giúp tần số chuyển mạch trong thiết bị tự động điều chỉnh theo biến thiên tải mà còn giúp giảm đáng kể méo sóng hài khi gặp loa phản kháng mạnh. Về phần cứng, để góp phần giảm phi tuyến cho tải, các kỹ sư nên lựa chọn MOSFET có dead time ngắn, driver cổng đối xứng và bộ lọc LC với giá trị cộng hưởng từ cao.

Vai trò của việc sử dụng tải giả

Hiện nay, các loại tải giả có thể cung cấp cho kỹ sư góc nhìn toàn diện về cách mạch hoạt động trong điều kiện kiểm thử. Các kỹ sư cần thử với nhiều loại tải khác nhau như complex impedance bên cạnh các tải trở đơn thuần để mô phỏng được tần số của loa thực tế. Một số đơn vị hiện nay cũng đang sử dụng các phần mềm mô phỏng như SPICE hoặc Simulink để tìm ra sự ảnh hưởng của góc pha giữa điện áp và dòng với mức méo khác nhau. Các nghiên cứu này chỉ ra rằng khi góc pha càng lớn thì tổng độ méo sóng hài sẽ tăng theo hàm bậc hai. Từ đây cũng dễ dàng lý giải tại sao khi sử dụng cùng một bộ khuếch đại thì loa kích thước nhỏ sẽ có độ méo nhiều hơn so với phòng thu chuyên nghiệp có mạch bù trở kháng phẳng.

Xu hướng và tương lai phát triển của bộ khuếch đại lớp D

Hiện nay, công nghệ khuếch đại lớp D ngày càng được phát triển thông qua việc sử dụng GaN FET thay thế cho MOSFET silicon truyền thống để chuyển mạch. Điều này là do GaN có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và điện dung ký sinh nhỏ hơn so với MOSFET silicon, từ đó chúng sẽ giúp giảm méo sóng hài do thời gian trễ rất nhỏ. Một số đơn vị trong lĩnh vực âm thanh hiện nay đang tích hợp hệ thống adaptive THD compensation để đo dạng sóng đầu ra, phân tích dạng hài và đồng thời điều chỉnh chu kỳ PWM theo từng tín hiệu nội bộ. Chính việc này đã góp phần giảm thiểu đáng kể mức méo sóng hài đến ngưỡng gần như không thể phát hiện được so với các phương pháp truyền thống.

Kết luận

Nhìn chung, vấn đề kiểm soát méo sóng hài trong bộ khuếch đại lớp D đang là một trong những vấn đề cấp bách dành cho các kỹ sư để tìm ra các giải pháp tối ưu. Trong đó, phương pháp ưu tiên hiện nay là kết hợp giữa nhiều thiết bị điều khiển, sắp xếp lại kết cấu vật lý và tìm hiểu sâu về tương tác giữa mạch và tải. Ngoài ra, các kỹ sư cũng có thể sử dụng một số công cụ đo như Audio Precision để phát hiện ra những biến dạng cực nhỏ, từ đó giúp họ điều chỉnh kịp thời để đạt được chất lượng đầu ra tốt nhất.