Amplificadores de audio de clase D: qué, por qué y cómo

Los amplificadores de clase D, propuestos por primera vez en 1958, se han vuelto cada vez más populares en los últimos años. ¿Qué son los amplificadores de clase D? ¿Cómo se comparan con otros tipos de amplificadores? ¿Por qué la clase D es de interés para el audio? ¿Qué se necesita para hacer un "buen" amplificador de clase D de clase D? ¿Cuáles son las características de los productos de amplificador Clase D de ADI? Encuentre las respuestas a todas estas preguntas en las siguientes páginas.

Fondo del amplificador de audio

El objetivo de los amplificadores de audio es reproducir señales de audio de entrada a elementos de salida productores de sonido, con los niveles deseados de volumen y potencia de manera fiel, eficiente y baja en distorsión. Las frecuencias de audio varían de aproximadamente 20 Hz a 20 kHz, por lo que el amplificador debe tener una buena respuesta de frecuencia en este rango (menos al conducir un altavoz limitado por la banda, como unwooferotweeter). Las capacidades de potencia varían ampliamente dependiendo de la aplicación, desde miliwatts en auriculares, hasta unos pocos vatios en el audio de televisión o PC, hasta decenas de vatios para estereos caseros "mini" y audio automotriz, hasta cientos de vatios y más allá para sistemas de sonido más potentes y comerciales para llenar los escollos o auditorios con sonido.

Una implementación analógica directa de un amplificador de audio utiliza transistores en modo lineal para crear un voltaje de salida que sea una copia escalada del voltaje de entrada. La ganancia de voltaje hacia adelante suele ser alta (al menos 40 dB). Si la ganancia hacia adelante es parte de un ciclo de retroalimentación, el generalganancia de bucletambién será alto. La retroalimentación a menudo se usa porque la alta ganancia de bucle mejora la distorsión de supresión del rendimiento causada por no linealidades en la ruta hacia adelante y reduciendo el ruido de la fuente de alimentación al aumentar el rechazo de suministro de potencia (PSR).

La ventaja del amplificador de clase D

En un amplificador de transistores convencional, eletapa de salidaContiene transistores que suministran la corriente de salida continua instantánea. Las muchas implementaciones posibles para los sistemas de audio incluyen las clases A, AB y B. en comparación conClase Ddiseños, la disipación de potencia de la etapa de salida es grande incluso en la más eficientelinealEtapas de salida. Esta diferencia ofrece ventajas significativas de clase D en muchas aplicaciones porque la menor disipación de energía produce menos calor, ahorra espacio y costo de la placa de circuito, y extiende la vida útil de la batería en los sistemas portátiles.

Amplificadores lineales, amplificadores de clase D y disipación de potencia

Las etapas de salida del amplificador lineal están conectadas directamente al altavoz (en algunos casos a través de condensadores). Si los transistores de unión bipolar (BJT) se utilizan en la etapa de salida, generalmente funcionan en el modo lineal, con grandes voltajes del emisor de colección. La etapa de salida también podría implementarse con transistores MOS, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Etapa de salida lineal CMOS.

La potencia se disipa en todas las etapas de salida lineales, porque el proceso de generaciónV_AFUERA inevitablemente causa ceroI_Ds yV_Ds en al menos un transistor de salida. La cantidad de disipación de potencia depende en gran medida del método utilizado para sesgar los transistores de salida.

ElClase ALa topología utiliza uno de los transistores como fuente de corriente de CC, capaz de suministrar la corriente de audio máxima requerida por el altavoz. La buena calidad de sonido es posible con la etapa de salida de Clase A, pero la disipación de potencia es excesiva porque una gran corriente de polarización de CC generalmente fluye en la etapa de salidatransistores(donde no lo queremos), sin ser entregado alvocero(donde lo queremos).

ElClase BLa topología elimina la corriente de sesgo de CC y se disipa significativamente menos potencia. Sus transistores de salida se controlan individualmente de manera push-pull, permitiendo que el dispositivo MH suministre corrientes positivas al altavoz, y ML hundirá corrientes negativas. Esto reduce la disipación de potencia de la etapa de salida, con solo corriente de señal realizada a través de los transistores. Sin embargo, el circuito de clase B tiene una calidad de sonido inferior debido al comportamiento no lineal (distorsión cruzada) Cuando la corriente de salida pasa a través de cero y los transistores están cambiando entre las condiciones de encendido y apagado.

Clase AB, un compromiso híbrido de las clases A y B, utiliza cierta corriente de sesgo de CC, pero mucho menos que un diseño de clase A puro. La pequeña corriente de sesgo de CC es suficiente para evitar la distorsión del cruce, lo que permite una buena calidad de sonido. La disipación de potencia, aunque entre los límites de clase A y Clase B, es típicamente más cercana a la clase B. Se necesita algún control, similar al del circuito de Clase B, para permitir que el circuito de clase AB suministre o hunda grandes corrientes de salida.

Desafortunadamente, incluso un amplificador AB de clase bien diseñado tiene una disipación de potencia significativa, porque sus voltajes de salida de rango medio generalmente están lejos de los rieles de suministro positivos o negativos. Las grandes gotas de voltaje de fuente de drenaje producen así significativamenteI_Ds × V_DsDisipación de potencia instantánea.

Gracias a una topología diferente (Figura 2), elClase DEl amplificador disipa mucho menos potencia que cualquiera de los anteriores. Su etapa de salida cambia entre los suministros positivos y negativos para producir un tren de pulsos de voltaje. Esta forma de onda es benigna para la disipación de potencia, porque los transistores de salida tienen corriente cero cuando no se cambian y tienen bajosV_Ds Cuando están realizando corriente, dando así más pequeñoI_Ds × V_Ds.

Figura 2. Diagrama de bloque de amplificador de circuito abierto de clase D.

Dado que la mayoría de las señales de audio no son trenes de pulso, se debe incluir un modulador para convertir la entrada de audio en pulsos. El contenido de frecuencia de los pulsos incluye tanto la señal de audio deseada como la energía significativa de alta frecuencia relacionada con el proceso de modulación. A menudo se inserta un filtro de paso bajo entre la etapa de salida y el altavoz para minimizar la interferencia electromagnética (EMI) y evitar conducir el altavoz con demasiada energía de alta frecuencia. El filtro (Figura 3) debe ser sin pérdidas (o casi) para retener la ventaja de disipación de potencia de la etapa de salida de conmutación. El filtro normalmente usa condensadores e inductores, siendo el único elemento intencionalmente disipativo el altavoz.

Figura 3. Etapa de salida de conmutación diferencial y filtro de paso bajo LC.

La Figura 4 compara la disipación de potencia de la etapa de salida ideal (P_Disgusto) Para los amplificadores de clase A y Clase B con disipación medida para el amplificador de clase D AD1994, trazado contra el poder entregado al altavoz (P_CARGA), dada una señal de onda sinusoidal de audio-frecuencia. Los números de potencia se normalizan al nivel de potencia,P_CARGAmáximo, en el que el seno se recorta lo suficiente como para causar un 10% de distorsión armónica total (THD). La línea vertical indica elP_CARGAen el que comienza el recorte.

Figura 4. Disipación de potencia en las etapas de salida de Clase A, Clase B y Clase D.

Las diferencias significativas en la disipación de potencia son visibles para un amplio rango de cargas, especialmente a valores altos y moderados. Al inicio del recorte, la disipación en la etapa de salida de Clase D es aproximadamente 2.5 veces menos que la Clase B, y 27 veces menos que la Clase A. Tenga en cuenta que se consume más potencia en la etapa de salida de Clase A de lo que se entrega al altavoz, una consecuencia de usar la corriente de polarización de CC grande.

Eficiencia de energía en la etapa de salida,Efectivo, se define como

Al inicio del recorte,Efectivo= 25% para el amplificador de clase A, 78.5% para el amplificador de clase B y 90% para el amplificador de clase D (ver Figura 5). Estos mejores valores para la Clase A y la Clase B son los que a menudo se citan en los libros de texto.

Figura 5. Eficiencia energética de las etapas de salida de clase A, Clase B y Clase D.

Las diferencias en la disipación de potencia y la eficiencia se amplían a niveles de potencia moderados. Esto es importante para el audio, porque los niveles promedio a largo plazo para la música a todo volumen son mucho más bajos (por factores de cinco a 20, dependiendo del tipo de música) que los niveles máximos instantáneos, que se acercanP_CARGAmáximo. Por lo tanto, para los amplificadores de audio, [P_CARGA = 0.1 × P_CARGAmáximo] es un nivel de potencia promedio razonable para evaluarP_Disgusto. En este nivel, la disipación de la etapa de salida de clase D es nueve veces menos que la clase B, y 107 veces menos que la clase A.

Para un amplificador de audio con 10- WP_CARGAmáximo, un promedioP_CARGAde 1 W puede considerarse un nivel de escucha realista. Bajo esta condición, 282 MW se disipan dentro de la etapa de salida de Clase D, frente a 2.53 W para la Clase B y30.2 WPara la Clase A. En este caso, la eficiencia de la Clase D se reduce al 78%, del 90% a mayor potencia. Pero incluso el 78% es mucho mejor que las eficiencias de Clase B y Clase A -28% y 3%, respectivamente.

Estas diferencias tienen consecuencias importantes para el diseño del sistema. Para los niveles de potencia superiores a 1 W, la disipación excesiva de las etapas de salida lineales requiere medidas de enfriamiento significativas para evitar el calentamiento inaceptable, típicamente, utilizando grandes losas de metal como disipadores de calor o ventiladores para soplar aire sobre el amplificador. Si el amplificador se implementa como un circuito integrado, es posible que se necesite un paquete voluminoso y costoso mejorado térmicamente para facilitar la transferencia de calor. Estas consideraciones son onerosas en productos de consumo, como televisores de pantalla plana, donde el espacio está en un audio automotriz premium o automotriz, donde la tendencia es hacia el recuento de canales más altos en un espacio fijo.

Para niveles de potencia por debajo de 1 W, la potencia desperdiciada puede ser más una dificultad que la generación de calor. Si se alimenta de una batería, una etapa de salida lineal agotaría la carga de la batería más rápido que un diseño de Clase D. En el ejemplo anterior, la etapa de salida de Clase D consume 2.8 veces menos corriente de suministro que la clase B y 23.6 veces menos que el resultado de la clase A en una gran diferencia en la vida de las baterías utilizadas en productos como teléfonos celulares, PDA y reproductores de MP3.

Por simplicidad, el análisis hasta ahora se ha centrado exclusivamente en el amplificadorproducciónetapas. Sin embargo, cuando se consideran todas las fuentes de disipación de potencia en el sistema de amplificadores, los amplificadores lineales pueden compararse más favorablemente con los amplificadores de clase D a niveles de potencia de salida baja. La razón es que la potencia necesaria para generar y modular la forma de onda de conmutación puede ser significativa a niveles bajos. Por lo tanto, la disipación inactiva en todo el sistema de amplificadores AB de clase de baja a potencia de baja a moderación bien diseñada puede hacerlos competitivos con los amplificadores de clase D. Sin embargo, la disipación de potencia de clase D es indudablemente superior para los rangos de potencia de salida más altos.

Terminología del amplificador de clase D y versiones diferenciales versus de un solo extremo

La Figura 3 muestra una implementación diferencial de los transistores de salida y el filtro LC en un amplificador de clase D. EstePuente Htiene dosmedio puenteCircuitos de conmutación que suministran pulsos de polaridad opuesta al filtro, que comprende dos inductores, dos condensadores y el altavoz. Cada puente medio contiene dos transistores de salida, un transistor de lado alto (MH) conectado a la fuente de alimentación positiva, y un transistor de lado bajo (ML) conectado a la oferta negativa. Los diagramas aquí muestran el lado altopTransistores MOS. De lado altonLos transistores de MOS a menudo se usan para reducir el tamaño y la capacitancia, pero se requieren técnicas especiales de accionamiento de puerta para controlarlos (Lectura más 1).

Los circuitos completos de puente H generalmente se ejecutan desde un solo suministro (V_Dd), con tierra utilizada para el terminal de suministro negativo (V_Ss). Para un V dado_Ddy V_Ss, la naturaleza diferencial del puente significa que puede entregar el doble de la señal de salida y cuatro veces la potencia de salida de las implementaciones de un solo extremo. Los circuitos de mitad de puente se pueden alimentar a partir de suministros de alimentación bipolar o un solo suministro, pero la versión de suministro único impone un voltaje de polarización de CC potencialmente dañino, V_Dd\/2, en todo el altavoz, a menos que se agrega un condensador de bloqueo.

Los autobuses de voltaje de la fuente de alimentación de los circuitos de medio puente se pueden "bombear" más allá de sus valores nominales por grandes corrientes de inductores del filtro LC. El DV\/DT del transitorio de bombeo puede limitarse agregando grandes condensadores de desacoplamiento entre V_Ddy V_Ss. Los circuitos de puente completo no sufren de bombeo de bus, porque la corriente de inductor que fluye hacia uno de los medios puentes fluye del otro, creando un bucle de corriente local que perturba mínimamente los suministros de energía.

Factores en el diseño del amplificador de la clase de audio D

La menor disipación de potencia proporciona una fuerte motivación para usar la clase D para aplicaciones de audio, pero existen desafíos importantes para el diseñador. Estos incluyen:

Elección del tamaño del transistor de salida

Protección en la etapa de salida

Calidad de sonido

Técnica de modulación

EMI

Diseño de filtro LC

Costo del sistema

Elección del tamaño del transistor de salida

El tamaño del transistor de salida se elige para optimizar la disipación de potencia en una amplia gama de condiciones de señal. Asegurando queV_Dspermanece pequeño al realizar grandesI_Ds requiere la resistencia (R_EN) de los transistores de salida para ser pequeños (típicamente {{0}}. 1 ohm a 0.2 ohm). Pero esto requiere grandes transistores con una capacitancia de puerta significativa (C_G). El circuito de tracción de puerta que cambia la capacitancia consume energíaCV²f, dóndeC es la capacitancia,V es el cambio de voltaje durante la carga, yf es la frecuencia de conmutación. Esta "pérdida de conmutación" se vuelve excesiva si la capacitancia o la frecuencia es demasiado alta, por lo que existen límites superiores prácticos. Por lo tanto, la elección del tamaño del transistor es una compensación entre minimizarI_Ds × V_Ds pérdidas durante la conducción versus minimizacióntraspuestapérdidas. Las pérdidas conductoras dominarán la disipación de potencia y la eficiencia a altos niveles de potencia de salida, mientras que la disipación está dominada por las pérdidas de cambio a niveles de salida bajos. Los fabricantes de transistores de energía intentan minimizar elR_EN × C_G Producto de sus dispositivos para reducir la disipación general de energía en las aplicaciones de conmutación y para proporcionar flexibilidad en la elección de la frecuencia de conmutación.

Protección de la etapa de salida

La etapa de salida debe protegerse de una serie de condiciones potencialmente peligrosas:

Calentamiento excesivo: La disipación de potencia de la etapa de salida de Clase D, aunque más baja que la de los amplificadores lineales, aún puede alcanzar niveles que ponen en peligro los transistores de salida si el amplificador se ve obligado a ofrecer una potencia muy alta durante mucho tiempo. Para proteger contra el sobrecalentamiento peligroso, se necesita circuitos de control de monitoreo de temperatura. En los esquemas de protección simples, la etapa de salida se apaga cuando su temperatura, medida por un sensor en chips, excede unchaqueta térmicaumbral de seguridad, y se mantiene apagado hasta que se enfríe. El sensor puede proporcionar información de temperatura adicional, aparte de la simple indicación binaria sobre si la temperatura ha excedido el umbral de apagado. Al medir la temperatura, los circuitos de control pueden reducir gradualmente el nivel de volumen, reducir la disipación de potencia y mantener la temperatura bien dentro de los límites en lugar de forzar períodos perceptibles de silencio durante los eventos de ajuste térmico.

Flujo de corriente excesivo en los transistores de salida: El bajoenLa resistencia de los transistores de salida no es un problema si la etapa de salida y los terminales del altavoz están conectados correctamente, pero pueden resultar enormes corrientes si estos nodos están inadvertidamente cortocircuitados entre sí, o para las fuentes de alimentación positivas o negativas. Si no se controla, tales corrientes pueden dañar los transistores o los circuitos circundantes. En consecuencia, se necesita circuitos de protección de transistor de salida de salida de corriente. En los esquemas de protección simple, la etapa de salida se apaga si las corrientes de salida exceden un umbral de seguridad. En esquemas más sofisticados, la salida del sensor de corriente se vuelve a encender al amplificador para limitar la corriente de salida a un nivel máximo seguro, al tiempo que permite que el amplificador se ejecute continuamente sin apagar. En estos esquemas, el cierre se puede forzar como último recurso si el intento de limitar resulta ineficaz. Los limitadores actuales efectivos también pueden mantener el amplificador funcionando de manera segura en presencia de corrientes transitorias momentáneamente grandes debido a las resonancias de los altavoces.

Subvoltaje: La mayoría de los circuitos de etapa de salida de conmutación funcionan bien solo si los voltajes positivos de la fuente de alimentación son lo suficientemente altos. Los problemas resultan si hay unsubvoltajecondición, donde los suministros son demasiado bajos. Este problema es comúnmente manejado por unbloqueo de subvoltajeCircuito, que permite que las etapas de salida funcionen solo si los voltajes de la fuente de alimentación están por encima de un umbral de descuento de bajo voltaje.

Tiempo de activación del transistor de salida: Los transistores de la etapa de salida de MH y ML (Figura 6) tienen muy bajosenresistencia. Por lo tanto, es importante evitar situaciones en las que tanto MH como ML estén simultáneamente, ya que esto crearía una ruta de baja resistencia a partir de V_Dda V_Ssa través de los transistores y un granbroteactual. En el mejor de los casos, los transistores calentarán y desperdiciarán energía; En el peor de los casos, los transistores pueden estar dañados.RupturaEl control de los transistores evita la condición de brote al forzar a ambos transistores antes de encender uno. Los intervalos de tiempo en los que se llaman ambos transistoresTiempo no superpuestoohora muerta.

Figura 6. Consta de transistores de etapa de salida.

Calidad de sonido

Se deben abordar varios problemas para lograr una buena calidad de sonido general en los amplificadores de clase D.

Clics y pops, que ocurren cuando el amplificador se enciende o apaga puede ser muy molesto. Desafortunadamente, sin embargo, son fáciles de introducir en un amplificador de Clase D a menos que se preste atención cuidadosa al estado del modulador, el tiempo de la etapa de salida y el estado del filtro LC cuando el amplificador está apagado o no se conmueve.

Relación señal \/ ruido (SNR):Para evitar el SIS audible del piso de ruido del amplificador, la SNR generalmente debe exceder los 90 dB en amplificadores de baja potencia para aplicaciones portátiles, 100 dB para diseños de potencia media y 110 dB para diseños de alta potencia. Esto se puede lograr para una amplia variedad de implementaciones de amplificadores, pero las fuentes de ruido individuales deben rastrearse durante el diseño del amplificador para garantizar una SNR general satisfactoria.

Mecanismos de distorsión:Estos incluyen no linealidades en la técnica de modulación o implementación del modulador y el tiempo muerto utilizado en la etapa de salida para resolver el problema de corriente de disparo.

La información sobre el nivel de señal de audio generalmente se codifica en los anchos de los pulsos de salida del modulador de clase D. Agregar tiempo muerto para evitar las corrientes de disparo de la etapa de salida introduce un error de sincronización no lineal, que crea distorsión en el altavoz en proporción al error de sincronización en relación con el ancho de pulso ideal. El tiempo muerto más corto que evita el brote a menudo es mejor para minimizar la distorsión; Consulte más lectura 2 para un método de diseño detallado para optimizar el rendimiento de la distorsión de las etapas de salida de conmutación.

Otras fuentes de distorsión incluyen: falta de coincidencia de tiempos de aumento y caída en los pulsos de salida, desajuste en las características de tiempo para los circuitos de tracción de la puerta del transistor de salida y las no linealidades en los componentes del filtro de paso bajo LC.

Rechazo de suministro de potencia (PSR):En el circuito de la Figura 2, el ruido de suministro de potencia se combina casi directamente al altavoz con muy poco rechazo. Esto ocurre porque los transistores en etapa de salida conectan las fuentes de alimentación al filtro de paso bajo a través de una resistencia muy baja. El filtro rechaza el ruido de alta frecuencia, pero está diseñado para pasar todas las frecuencias de audio, incluido el ruido. Vea más lectura 3 para una buena descripción del efecto del ruido de suministro de potencia en circuitos de etapa de salida de salida de un solo extremo y diferencial.

Si no se abordan la distorsión ni los problemas de suministro de potencia, es difícil lograr PSR mejor que 1 0 db, o distorsión armónica total (THD) mejor que 0.1%. Peor aún, el THD tiende a ser el tipo de mal pedido.

Afortunadamente, hay buenas soluciones a estos problemas. El uso de retroalimentación con una ganancia de bucle alta (como se hace en muchos diseños de amplificadores lineales) ayuda mucho. La retroalimentación de la entrada del filtro LC mejorará en gran medida PSR y atenuará todos los mecanismos de distorsión de filtro LC. Las no linealidades del filtro LC se pueden atenuar al incluir el altavoz en el bucle de retroalimentación. La calidad de sonido de grado audiófilo con PSR> 6 0 DB y THD <0.01% se puede lograr en los amplificadores de clase D de circuito cerrado bien diseñados.

Sin embargo, la retroalimentación complica el diseño del amplificador porque la estabilidad del bucle debe abordarse (una consideración no trivial para el diseño de alto orden). Además, es necesaria la retroalimentación analógica en tiempo continuo para capturar información importante sobre los errores de tiempo de pulso, por lo que el bucle de control debe incluir circuitos analógicos para procesar la señal de retroalimentación. En las implementaciones de amplificadores de circuito integrado, esto puede aumentar el costo del dado.

Para minimizar el costo de IC, algunos proveedores prefieren minimizar o eliminar el contenido de circuito analógico. Algunos productos utilizan un modulador digital de circuito abierto, además de un convertidor analógico a digital para detectar variaciones de suministro de potencia y ajustar el comportamiento del modulador para compensar, como se propuso en una lectura adicional 3. Esto puede mejorar la PSR, pero no abordará ninguno de los problemas de distorsión. Otros moduladores digitales intentan precompensar los errores de tiempo de la etapa de salida esperados, o corregir las no idealidades moduladoras. Esto puede abordar al menos en parte algunos mecanismos de distorsión, pero no todos. Las aplicaciones que toleran los requisitos de calidad de sonido bastante relajados pueden ser manejadas por este tipo de amplificadores de clase D de circuito abierto, pero alguna forma de retroalimentación parece necesaria para la mejor calidad de audio.

Técnica de modulación

Los moduladores de clase D se pueden implementar de muchas maneras, respaldados por una gran cantidad de investigación relacionada y propiedad intelectual. Este artículo solo introducirá conceptos fundamentales.

Todas las técnicas de modulación de clase D codifican información sobre la señal de audio en una secuencia de pulsos. En general, el pulsoanchosestán vinculados a la amplitud de la señal de audio, y el espectro de los pulsos incluye la señal de audio deseada más el contenido no deseado (pero inevitable) de alta frecuencia. La potencia total integrada de alta frecuencia en todos los esquemas es aproximadamente el mismo, ya que la potencia total en las formas de onda del dominio del tiempo es similar, y por el teorema de Parseval, la potencia en el dominio del tiempo debe ser igual a la potencia en el dominio de frecuencia. Sin embargo, la distribución de la energía varía ampliamente: en algunos esquemas, hay tonos de energía altos sobre un piso de bajo ruido, mientras que en otros esquemas, la energía tiene forma para que los tonos se eliminen pero el piso de ruido es más alto.

La técnica de modulación más común esmodulación de ancho de pulso(PWM). Conceptualmente, PWM compara la señal de audio de entrada con una forma de onda triangular o de rampa que se ejecuta a una fijatransportadorfrecuencia. Esto crea una corriente de pulsos en la frecuencia portadora. Dentro de cada período del portador, la relación de trabajo del pulso PWM es proporcional a la amplitud de la señal de audio. En el ejemplo de la Figura 7, la entrada de audio y la onda triangular se centran en 0 V, de modo que para la entrada 0, la relación de trabajo de los pulsos de salida es 5 0%. Para una entrada positiva grande, está cerca del 100%, y está cerca del 0% para una gran entrada negativa. Si la amplitud de audio excede la de la onda del triángulo,modulación completaocurre, donde el tren de pulso deja de cambiar, y la relación de servicio dentro de los períodos individuales es 0% o 100%.

Figura 7. Concepto y ejemplo de PWM.

PWM es atractivo porque permite 100- DB o mejor SNR de banda de audio en las frecuencias portador de PWM de unos pocos cientos de kilohertz-lo suficientemente para limitar las pérdidas de conmutación en la etapa de salida. Además, muchos moduladores PWM son estables hasta casi el 100% de modulación, en el concepto que permite una alta potencia de salida hasta el punto de sobrecarga. Sin embargo, PWM tiene varios problemas: primero, el proceso PWM inherentemente agrega distorsión en muchas implementaciones (lectura adicional 4); A continuación, los armónicos de la frecuencia portadora de PWM producen EMI dentro de la banda de radio AM; Y finalmente, los anchos de pulso PWM se vuelven muy pequeños cerca de la modulación completa. Esto causa problemas en la mayoría de los circuitos de conductor de compuerta de la etapa de salida de cambio, con su capacidad de accionamiento limitada, no pueden cambiar correctamente a las velocidades excesivas necesarias para reproducir pulsos cortos con anchos de unos pocos nanosegundos. En consecuencia, la modulación completa a menudo es inalcanzable en los amplificadores basados ​​en PWM, lo que limita la potencia de salida máxima alcanzable a algo menor que el máximo teórico, que considera solo el voltaje de suministro de potencia, el transistorenresistencia e impedancia de altavoz.

Una alternativa a PWM esmodulación de densidad de pulso(PDM), en el que el número de pulsos en una ventana de tiempo determinada es proporcional al valor promedio de la señal de audio de entrada. Los anchos de pulso individuales no pueden ser arbitrarios como en PWM, sino que se "cuantifican" a los múltiplos del período del reloj del modulador. 1- Bit Sigma-Delta La modulación es una forma de PDM.

Gran parte de la energía de alta frecuencia en Sigma-Delta se distribuye en un amplio rango de frecuencias, no concentrada en tonos a múltiplos de una frecuencia portadora, como en la modulación de delta-delta-delta que proporciona PWM con una posible ventaja EMI sobre PWM. Todavía existe energía en las imágenes de la frecuencia de reloj de muestreo PDM; Pero con las frecuencias de reloj típicas de 3 MHz a 6 MHz, las imágenes están fuera de la banda de frecuencia de audio, y están fuertemente atenuadas por el filtro LC bajo de paso.

Otra ventaja de Sigma-Delta es que el ancho mínimo de pulso es un período de muestreo, incluso para condiciones de señal que se acercan a la modulación completa. Esto facilita el diseño del conductor de puerta y permite una operación segura a la potencia completa teórica. No obstante, 1- Bit Sigma-Delta La modulación no se usa a menudo en los amplificadores de clase D (lectura adicional 4) porque los moduladores de bits 1-} convencionales solo son estables para la modulación del 50%. Además, se necesita al menos 64 × sobremuestreo para lograr una SNR de banda de audio suficiente, por lo que las velocidades de datos de salida típicas son de al menos 1 MHz y la eficiencia energética es limitada.

Recientemente,autoestimanteSe han desarrollado amplificadores, como el que está en lectura adicional 5. Este tipo de amplificador siempre incluye un circuito de retroalimentación, con propiedades del bucle que determinan la frecuencia de conmutación del modulador, en lugar de un reloj proporcionado externamente. La energía de alta frecuencia a menudo se distribuye más uniformemente que en PWM. Es posible una excelente calidad de audio, gracias a los comentarios, pero el bucle es autocompletador, por lo que es difícil sincronizar con cualquier otro circuito de conmutación, o conectarse a fuentes de audio digitales sin convertir primero lo digital a analógico.

El circuito de puente completo (Figura 3) puede usar la modulación "{2}} estado" para reducir el EMI diferencial. Con el funcionamiento diferencial convencional, la polaridad de salida del medio puente A debe ser opuesta a la del medio puente B. Solo existen dos estados operativos diferenciales: salida A Alt b al Salir B BAJO; y un bajo con B alto. Sin embargo, existen dos estados de modo común adicional, en los que ambas salidas de medio puente son la misma polaridad (ambas altas o ambas). Uno de estosmodo comúnLos estados se pueden usar junto con los estados diferenciales para producir {{0}} modulación de estado donde la entrada diferencial al filtro LC puede ser positiva, 0 o negativa. El estado 0 se puede usar para representar niveles de potencia bajos, en lugar de cambiar entre el estado positivo y negativo como en un esquema de estado 2-. Se produce muy poca actividad diferencial en el filtro LC durante el estado 0, reduciendo la EMI diferencial, aunque en realidad aumenta la EMI en modo común. El beneficio diferencial solo se aplica a niveles de potencia bajos, porque los estados positivos y negativos aún deben usarse para ofrecer una potencia significativa al altavoz. El nivel de voltaje de modo común variable en 3- esquemas de modulación de estado presenta un desafío de diseño para amplificadores de circuito cerrado.

Taming EMI

Los componentes de alta frecuencia de las salidas del amplificador de clase D merecen una consideración seria. Si no se entiende y administra adecuadamente, estos componentes pueden generar grandes cantidades de EMI e interrumpir la operación de otros equipos.

Dos tipos de EMI son preocupantes: señales que se irradian en el espacio y las que se llevan a cabo a través de cables de suministro de altavoces y potencia. El esquema de modulación de clase D determina unbaseEspectro de los componentes de EMI realizado y radiado. Sin embargo, algunas técnicas de diseño a nivel de tablero se pueden utilizar para reducir el EMI emitido por un amplificador de clase D, a pesar de su espectro de línea de base.

Un principio útil es minimizar el área de bucles que transportan corrientes de alta frecuencia, ya que la resistencia del EMI asociado está relacionada con el área de bucle y la proximidad de los bucles a otros circuitos. Por ejemplo, todo el filtro LC (incluido el cableado del altavoz) debe presentarse lo más compacto posible y mantenerse cerca del amplificador. Las trazas para la unidad actual y las rutas de retorno deben mantenerse juntas para minimizar las áreas de bucle (es útil usar pares retorcidos para los cables del altavoz). Otro lugar para enfocarse está en los grandes transitorios de carga que ocurren al cambiar la capacitancia de la puerta de los transistores en etapa de salida. Generalmente este cargo proviene de undepósitoCapacitancia, formando un bucle de corriente que contiene ambas capacitancias. El impacto de EMI de los transitorios en este bucle puede disminuir minimizando el área del bucle, lo que significa colocar la capacitancia del depósito lo más cerca posible a los transistores que carga.

A veces es útil insertar estrictas RF en la serie con las fuentes de alimentación para el amplificador. Se colocan correctamente, pueden limitar las corrientes transitorias de alta frecuencia a los bucles locales cerca del amplificador, en lugar de realizarse a largas distancias por los cables de la fuente de alimentación.

Si el tiempo no superpuesto de la puerta de enlace es muy largo, las corrientes inductivas del altavoz o el filtro LC pueden sesgar los diodos parásitos de sesgo en los terminales de los transistores en etapa de salida. Cuando termina el tiempo no superpuesto, el sesgo en el diodo se cambia de avance a reverso. Grandes picos de corriente de recuperación inversa pueden fluir antes de que el diodo se apague por completo, creando una fuente problemática de EMI. Este problema se puede minimizar manteniendo el tiempo no superpuesto muy corto (también se recomienda minimizar la distorsión del audio). Si el comportamiento de recuperación inversa aún es inaceptable, los diodos Schottky pueden ser paralelos a los diodos parásitos del transistor, para desviar las corrientes y evitar que el diodo parásito se encienda. Esto ayuda porque las uniones de metal-semiconductores de los diodos Schottky son intrínsecamente inmunes a los efectos de recuperación inversa.

Los filtros LC con núcleos de inductor toroidal pueden minimizar las líneas de campo callejero resultantes de las corrientes del amplificador. La radiación de la más baratatamborLos núcleos pueden reducirse protegiendo, un buen compromiso entre el costo y el rendimiento de EMI: si se tiene cuidado para garantizar que el blindaje no degrade inaceptablemente la linealidad del inductor y la calidad del sonido en el altavoz.

Diseño de filtro LC

Para ahorrar en el costo y el espacio de la placa, la mayoría de los filtros LC para los amplificadores de clase D son diseños de segundo orden y bajo paso. La Figura 3 muestra la versión diferencial de un filtro LC de segundo orden. El altavoz sirve para humedecer la resonancia inherente del circuito. Aunque la impedancia del altavoz a veces se aproxima como una resistencia simple, la impedancia real es más compleja y puede incluir componentes reactivos significativos. Para obtener los mejores resultados en el diseño del filtro, uno siempre debe tratar de usar un modelo de altavoz preciso.

Una opción de diseño de filtro común es apuntar al ancho de banda más bajo para el cualinclinarseEn la respuesta del filtro a la frecuencia de audio de interés más alta se minimiza. Un filtro típico tiene una respuesta 40-} khz Butterworth (para lograr una banda de pase máxima), si se desea una caída de menos de 1 dB para frecuencias de hasta 20 kHz. Los valores del componente nominal en la tabla dan una respuesta aproximada de Butterworth para las impedancias comunes de los altavoces y los valores estándar de L y C:

Si el diseño no incluye comentarios del altavoz, el THD en el altavoz será sensible a la linealidad de los componentes del filtro LC.

Factores de diseño del inductor:Los factores importantes en el diseño o la selección del inductor incluyen la calificación y la forma de corriente del núcleo, y la resistencia del devanado.

Calificación actual: El núcleo que se elige debe tener una calificación de corriente por encima de la corriente de amplificador más alta esperada. La razón es que muchos núcleos inductores se saturarán magnéticamente si la corriente excede el umbral de calificación de corriente y la densidad de flujo se vuelve demasiado alto en la reducción drástica no deseada de la inductancia.

La inductancia se forma envolviendo un cable alrededor del núcleo. Si hay muchos giros, la resistencia asociada con la longitud total del cable es significativa. Dado que esta resistencia está en serie entre el medio puente y el altavoz, parte de la potencia de salida se disipará en él. Si la resistencia es demasiado alta, use un cable más grueso o cambie el núcleo a un material diferente que requiere menos giros de cable para dar la inductancia deseada.

Finalmente, no debe olvidarse que la forma del inductor utilizado puede afectar la EMI, como se señaló anteriormente.

Costo del sistema

¿Cuáles son los factores importantes en el costo general de un sistema de audio que utiliza amplificadores de clase D? ¿Cómo podemos minimizar el costo?

ElactivoLos componentes del amplificador de clase D son la etapa de salida de conmutación y el modulador. Este circuito se puede construir para aproximadamente el mismo costo que un amplificador lineal analógico. Las compensaciones reales ocurren al considerar otros componentes del sistema.

La menor disipación de la Clase D ahorra el costo (y el espacio) del aparato de enfriamiento como disipadores o ventiladores. Un amplificador de circuito integrado de Clase D puede usar un paquete más pequeño y más barato de lo que es posible para el lineal. Cuando se conduce desde una fuente de audio digital, los amplificadores lineales analógicos requieren que los convertidores D\/A (DAC) conviertan el audio en forma analógica. Esto también es cierto para los amplificadores de clase D de entrada analógica, pero los tipos de entrada digital integran efectivamente la función DAC.

Por otro lado, la desventaja principal del costo de la clase D es el filtro LC. Los componentes, especialmente el espacio de la placa inductores-ocupante, y agregan gastos. En los amplificadores de alta potencia, el costo general del sistema sigue siendo competitivo, ya que el costo del filtro LC se ve compensado por grandes ahorros en el aparato de enfriamiento. Pero en aplicaciones sensibles a los costos y de baja potencia, el gasto inductor se vuelve oneroso. En casos extremos, como los amplificadores baratos para teléfonos celulares, un amplificador IC puede ser más barato que el costo total del filtro LC. Además, incluso si se ignora el costo monetario, el espacio de la junta ocupado por el filtro LC puede ser un problema en pequeñas aplicaciones de factor de forma.

Para abordar estas preocupaciones, el filtro LC a veces se elimina por completo, para crear unsin filtroamplificador. Esto ahorra costos y espacio, aunque pierde el beneficio del filtrado de paso bajo. Sin el filtro, EMI y la disipación de potencia de alta frecuencia pueden aumentar inaceptablemente a menos que el altavoz sea inductivo y se mantenga muy cerca del amplificador, las áreas de circuito de corriente son mínimos y los niveles de potencia se mantienen bajos. Aunque a menudo es posible en aplicaciones portátiles como los teléfonos celulares, no es factible para sistemas de mayor potencia como los estereos domésticos.

Otro enfoque es minimizar el número de componentes del filtro LC requeridos por canal de audio. Esto se puede lograr mediante el uso de etapas de salida de medio puente de un solo extremo, que requieren la mitad del número de LS y CS necesarios para circuitos diferenciales de puente completo. Pero si el medio puente requiere suministros de energía bipolar, el gasto asociado con la generación del suministro negativo puede ser prohibitivo, a menos que un suministro negativo ya esté presente para algún otro propósito o el amplificador tiene suficientes canales de audio, para amortizar el costo de la oferta negativa. Alternativamente, el medio puente podría alimentarse con un solo suministro, pero esto reduce la potencia de salida y, a menudo, requiere un gran condensador de bloqueo de CC.

Dispositivos analógicos Clase D Amplificadores

Todos los desafíos de diseño que solo discuten pueden sumar a un proyecto bastante exigente. Para ahorrar tiempo para el diseñador, Analog Devices ofrece una variedad de circuitos integrados de amplificadores de clase D, incorporando amplificadores, moduladores y etapas de salida de energía programables. Para simplificar la evaluación, están disponibles tableros de demostración para cada tipo de amplificador para simplificar la evaluación. El diseño de la PCB y la factura de materiales para cada uno de estos tableros sirven como un diseño de referencia viable, lo que ayuda a los clientes a diseñar rápidamente sistemas de audio de trabajo y rentables sin tener que "reinventar la rueda" para resolver los principales desafíos de diseño de amplificadores de clase D.

Considere, por ejemplo, el AD1990, AD1992 y AD 1994- una familia de ICS de amplificador dual, dirigido a aplicaciones estéreo o mono de potencia moderada que requieren dos canales con salida por canal de hasta 5-, 10- y 25- W, respectivamente. Aquí hay algunas propiedades de estos IC:

El amplificador de potencia de audio AD1994 Clase D combina dos amplificadores de ganancias programables, dos moduladores Sigma-Delta y dos etapas de alimentación para impulsar cargas llenas de puente H en aplicaciones de audio de cine en casa, automotriz y PC. Genera formas de onda de conmutación que pueden conducir altavoces estéreo a hasta 25 W por altavoz, o un solo altavoz a 50 W monofónico, con una eficiencia del 90%. Sus entradas de un solo extremo se aplican a un amplificador de ganancia programable (PGA) con ganancias establecidas para 0-, 6-, 12- y 18 dB, para manejar señales de bajo nivel.

The device has integrated protection against output-stage hazards of overheating, overcurrent, and shoot-through current. There are minimal clicks and pops associated with muting, thanks to special timing control, soft start, and dc offset calibration. Specifications include 0.001% THD, 105-dB dynamic range, and >PSR de 60 dB, utilizando retroalimentación analógica de tiempo continuo de la etapa de salida de conmutación y la unidad de puerta de salida de salida optimizada. Su modulador Sigma-Delta de bit 1- bit se mejora especialmente para la aplicación Clase D para lograr una frecuencia de datos promedio de 500 kHz, con una alta ganancia de bucle al 90% de modulación y estabilidad a la modulación completa. AautónomoEl modo modulador le permite conducir FET externos para una mayor potencia de salida.

Utiliza un suministro {{0}}} V para el PGA, el modulador y la lógica digital, y un suministro de alto voltaje de 8 V a 20 V para la etapa de salida de conmutación. El diseño de referencia asociado cumple con los requisitos de FCC Clase B EMI. Al conducir 6 ohm se cargan con 5- V y 12- V suministros, el AD1994 se disipa 487 MW de forma inactiva, 710 mW al nivel de salida de 2 × 1- W y 0.27 MW enapagadomodo. Disponible en un paquete 64- lfcsp lidera, se especifica de –40 grados a +85

Información más técnica sobre los amplificadores de clase D, incluidas las implementaciones con procesadores negros, se puede encontrar en la sección de lectura adicional.