Amplificatori audio di classe D: cosa, perché e come

Gli amplificatori di classe D, proposti per la prima volta nel 1958, sono diventati sempre più popolari negli ultimi anni. Cosa sono gli amplificatori di classe D? Come si confrontano con altri tipi di amplificatori? Perché la classe D è di interesse per l'audio? Cosa è necessario per creare un amplificatore "buono" di classe audio D? Quali sono le caratteristiche dei prodotti di amplificatore di classe D Adi? Trova le risposte a tutte queste domande nelle pagine seguenti.

Sfondo dell'amplificatore audio

L'obiettivo degli amplificatori audio è di riprodurre segnali audio di input su elementi di uscita che producono il suono, con volume desiderato e livelli di potenza in modo efficiente, efficiente e a bassa distorsione. Le frequenze audio vanno da circa 20 Hz a 20 kHz, quindi l'amplificatore deve avere una buona risposta in frequenza su questo intervallo (meno quando si guida un altoparlante a banda, come unwoofero atweeter). Le capacità di alimentazione variano ampiamente a seconda dell'applicazione, dai milliwatt in cuffie, ad alcuni watt in audio TV o PC, a decine di watt per "mini" stereo e audio automobilistico, a centinaia di watt e oltre per sistemi audio più potenti e commerciali-per riempire i teatri o i auditori con audio.

Una semplice implementazione analogica di un amplificatore audio utilizza i transistor in modalità lineare per creare una tensione di uscita che è una copia in scala della tensione di ingresso. Il guadagno di tensione in avanti è generalmente elevato (almeno 40 dB). Se il guadagno in avanti fa parte di un circuito di feedback, il complessoguadagno loopsarà anche alto. Il feedback viene spesso utilizzato perché l'elevato guadagno ad anello migliora la distorsione che sopprime le prestazioni causata dalle non linearità nel percorso in avanti e riducendo il rumore dell'alimentazione aumentando il rifiuto dell'alimentazione (PSR).

Il vantaggio dell'amplificatore di classe D

In un amplificatore a transistor convenzionale, ilFase di outputContiene transistor che forniscono la corrente di uscita continua istantanea. Le molte possibili implementazioni per i sistemi audio includono le classi A, AB e B.Classe dprogetti, la dissipazione di potenza dello stadio di uscita è grande anche nel più efficientelinearefasi di output. Questa differenza offre vantaggi significativi di classe D in molte applicazioni perché la dissipazione di potenza inferiore produce meno calore, risparmia lo spazio e il costo del circuito e estende la durata della batteria nei sistemi portatili.

Amplificatori lineari, amplificatori di classe D e dissipazione di potenza

Gli stadi di uscita dell'amplificatore lineare sono direttamente collegati all'altoparlante (in alcuni casi tramite condensatori). Se i transistor di giunzione bipolare (BJT) vengono utilizzati nella fase di uscita, generalmente operano in modalità lineare, con grandi tensioni emettenti. La fase di uscita potrebbe anche essere implementata con transistor MOS, come mostrato nella Figura 1.

Figura 1. Fase di uscita lineare CMOS.

La potenza viene dissipata in tutte le fasi di output lineari, perché il processo di generazioneV_FUORI inevitabilmente causa diverso da zeroI_Ds EV_Ds In almeno un transistor di output. La quantità di dissipazione di potenza dipende fortemente dal metodo utilizzato per distorcere i transistor di uscita.

ILClasse A.La topologia utilizza uno dei transistor come fonte di corrente DC, in grado di fornire la corrente audio massima richiesta dall'altoparlante. Una buona qualità del suono è possibile con lo stadio di output di classe A, ma la dissipazione della potenza è eccessiva perché una corrente di polarizzazione DC di grande DC di solito scorre nella fase di uscitatransistor(dove non lo vogliamo), senza essere consegnato alaltoparlante(dove lo vogliamo).

ILClasse BLa topologia elimina la corrente di pregiudizio DC e dissipa significativamente meno potenza. I suoi transistor di uscita sono controllati individualmente in modo push-pull, consentendo al dispositivo MH di fornire correnti positive all'altoparlante e ML per affondare le correnti negative. Ciò riduce la dissipazione della potenza dello stadio di uscita, con solo corrente del segnale condotta attraverso i transistor. Il circuito di classe B ha una qualità del suono inferiore, tuttavia, a causa del comportamento non lineare (distorsione crossover) Quando la corrente di uscita passa attraverso lo zero e i transistor stanno cambiando tra le condizioni ON e OFF.

Classe AB, Un compromesso ibrido delle classi A e B, utilizza una corrente di distorsione DC, ma molto meno di un design di classe A puro. La piccola corrente di pregiudizio DC è sufficiente per prevenire la distorsione crossover, consentendo una buona qualità del suono. La dissipazione di potenza, sebbene tra i limiti di Classe A e Classe B, è in genere più vicina alla classe B. È necessario un certo controllo, simile a quello del circuito di classe B, per consentire al circuito di Classe di fornire o affondare grandi correnti di uscita.

Sfortunatamente, anche un amplificatore AB di classe ben progettato ha una significativa dissipazione di potenza, poiché le sue tensioni di uscita di fascia media sono generalmente lontane dalle rotaie di alimentazione positive o negative. Le grandi gocce di tensione di drenaggio producono quindi significativeI_Ds × V_Dsdissipazione di potenza istantanea.

Grazie a una topologia diversa (Figura 2), ilClasse dL'amplificatore dissipa molto meno potenza di qualsiasi parte di quanto sopra. La sua fase di uscita passa tra gli alimentatori positivi e negativi in ​​modo da produrre un treno di impulsi di tensione. Questa forma d'onda è benigna per la dissipazione della potenza, perché i transistor di uscita hanno una corrente zero quando non si commuovono e hanno bassoV_Ds Quando stanno conducendo la corrente, dando così più piccoliI_Ds × V_Ds.

Figura 2. Diagramma a blocco dell'amplificatore a circuito aperto di classe D.

Poiché la maggior parte dei segnali audio non sono treni di impulsi, un modulatore deve essere incluso per convertire l'ingresso audio in impulsi. Il contenuto di frequenza degli impulsi include sia il segnale audio desiderato che una significativa energia ad alta frequenza relativa al processo di modulazione. Un filtro passa basso viene spesso inserito tra lo stadio di uscita e l'altoparlante per ridurre al minimo l'interferenza elettromagnetica (EMI) ed evitare di guidare l'altoparlante con troppa energia ad alta frequenza. Il filtro (Figura 3) deve essere senza perdita di perdita (o quasi) per conservare il vantaggio di dissipazione della potenza della fase di uscita di commutazione. Il filtro normalmente utilizza condensatori e induttori, con l'unico elemento intenzionalmente dissipativo è il diffusore.

Figura 3. Stadio di uscita di commutazione differenziale e filtro passa-basso LC.

La Figura 4 confronta la dissipazione della potenza dello stadio di uscita ideale (P_Diss) per gli amplificatori di classe A e classe B con dissipazione misurata per l'amplificatore di classe D del 1994, tracciato contro il potere consegnato all'altoparlante (P_CARICO), dato un segnale di onda sinusoidale audio-frequenza. I numeri di potenza sono normalizzati al livello di potenza,P_CARICOmax, in cui il seno è abbastanza tagliato da causare distorsione armonica totale del 10% (THD). La linea verticale indica ilP_CARICOin cui inizia il ritaglio.

Figura 4. Dissipazione di potenza nelle fasi di uscita di Classe A, Classe B e Classe D.

Differenze significative nella dissipazione della potenza sono visibili per una vasta gamma di carichi, specialmente a valori alti e moderati. All'inizio del clipping, la dissipazione nella fase di uscita di Classe D è circa 2,5 volte inferiore alla classe B e 27 volte inferiore alla classe A. Si noti che più potenza viene consumata nella fase di uscita di classe A di quanto viene consegnata all'altoparlante, una conseguenza dell'utilizzo della corrente di pregiudizio DC di grandi dimensioni.

Efficienza di potenza in fase di uscita,EF, è definito come

All'inizio del clipping,EF= 25% per l'amplificatore di classe A, 78,5% per l'amplificatore di classe B e il 90% per l'amplificatore di classe D (vedi Figura 5). Questi valori migliori per la classe A e la classe B sono quelli spesso citati nei libri di testo.

Figura 5. Efficienza energetica delle fasi di uscita di Classe A, Classe B e Classe D.

Le differenze nella dissipazione del potere e nell'efficienza si allargano a livelli di potenza moderati. Questo è importante per l'audio, poiché i livelli medi a lungo termine per la musica ad alto volume sono molto più bassi (da fattori da cinque a 20, a seconda del tipo di musica) rispetto ai livelli di picco istantanei, che approccioP_CARICOmax. Pertanto, per gli amplificatori audio, [P_CARICO = 0.1 × P_CARICOmax] è un livello di potenza medio ragionevole in cui valutareP_Diss. A questo livello, la dissipazione dello stadio di output di classe D è nove volte inferiore alla classe B e 107 volte inferiore alla classe A.

Per un amplificatore audio con 10- wP_CARICOmax, una mediaP_CARICOdi 1 W può essere considerato un livello di ascolto realistico. In questa condizione, 282 MW vengono dissipati all'interno della fase di uscita di Classe D, contro 2,53 W per la classe B e30.2 WPer la classe A. In questo caso, l'efficienza di classe D è ridotta al 78%, dal 90% a potenza superiore. Ma anche il 78% è molto meglio della classe B e delle efficienze di classe A -28% e 3%, rispettivamente.

Queste differenze hanno conseguenze importanti per la progettazione del sistema. Per i livelli di potenza superiori a 1 W, l'eccessiva dissipazione di stadi di uscita lineare richiede misure di raffreddamento significative per evitare il riscaldamento inaccettabile-tipicamente utilizzando grandi lastre di metallo come dissipatori di calore o ventilatori per soffiare aria sull'amplificatore. Se l'amplificatore è implementato come circuito integrato, potrebbe essere necessario un pacchetto ingombrante e costoso migliorato termicamente per facilitare il trasferimento di calore. Queste considerazioni sono onerose nei prodotti di consumo come TV a schermo piatto, in cui lo spazio è ad un audio automobilistico premium o automobilistico, dove la tendenza è verso la gestione dei canali più elevati in uno spazio fisso.

Per i livelli di potenza inferiori a 1 W, il potere sprecato può essere più difficoltà rispetto alla generazione di calore. Se alimentato da una batteria, una fase di uscita lineare scaricherebbe la carica della batteria più velocemente di un design di classe D. Nell'esempio sopra, lo stadio di output di Classe D consuma 2,8 volte meno di fornitura di corrente rispetto alla classe B e 23,6 volte inferiore alla risoluzione della classe A in una grande differenza nella vita delle batterie utilizzate in prodotti come telefoni cellulari, PDA e giocatori MP3.

Per semplicità, l'analisi finora si è concentrata esclusivamente sull'amplificatoreproduzionefasi. Tuttavia, quando vengono considerate tutte le fonti di dissipazione di potenza nel sistema di amplificatore, gli amplificatori lineari possono confrontare più favorevolmente con gli amplificatori di classe D a bassi livelli di potenza di uscita. Il motivo è che la potenza necessaria per generare e modulare la forma d'onda di commutazione può essere significativa a livelli bassi. Pertanto, la dissipazione quiescente a livello di sistema di amplificatori AB di classe da bassa a moderata a bassa potenza può renderli competitivi con gli amplificatori di classe D. Tuttavia, la dissipazione della potenza di classe D è indiscutibilmente superiore per gli intervalli di potenza di uscita più elevati.

Terminologia dell'amplificatore di classe D e versioni differenziali vs.

La Figura 3 mostra un'implementazione differenziale dei transistor di output e del filtro LC in un amplificatore di classe D. QuestoBridge hne ha duemezzo ponteI circuiti di commutazione che forniscono impulsi di polarità opposta al filtro, che comprendono due induttori, due condensatori e l'altoparlante. Ogni mezzo ponte contiene due transistor di uscita-A a un transistor alto (MH) collegato all'alimentazione positiva e un transistor a basso lato (ML) collegato all'alimentazione negativa. I diagrammi qui mostrano un lato altopTransistor MOS. Alto latonI transistor MOS sono spesso usati per ridurre le dimensioni e la capacità, ma sono necessarie tecniche speciali di guida gate per controllarli (ulteriori letture 1).

I circuiti a ponte H full si svolgono generalmente da una singola alimentazione (V_Dd), con terra utilizzata per il terminale di alimentazione negativa (V_Ss). Per un dato v_Dde v_Ss, la natura differenziale del ponte significa che può fornire il doppio del segnale di uscita e quattro volte la potenza di uscita delle implementazioni a tempo indeterminato. I circuiti a mezzo ponte possono essere alimentati da alimentatori bipolari o una singola alimentazione, ma la versione a fornitura singola impone una tensione di distorsione DC potenzialmente dannosa, V_Dd\/2, attraverso l'altoparlante, a meno che non venga aggiunto un condensatore di blocco.

Gli autobus di tensione di alimentazione dei circuiti a mezzo ponte possono essere "pompati" oltre i loro valori nominali da grandi correnti induttori dal filtro LC. Il dv\/dt del transitorio di pompaggio può essere limitato aggiungendo grandi condensatori di disaccoppiamento tra V_Dde v_Ss. I circuiti a ponte pieno non soffrono di pompaggio del bus, poiché la corrente dell'induttore che scorre in uno dei mezze bridge scorre fuori dall'altro, creando un ciclo di corrente locale che disturba minimamente gli alimentatori.

Fattori nel design dell'amplificatore di classe D audio

La dissipazione di potenza inferiore fornisce una forte motivazione per utilizzare la classe D per le applicazioni audio, ma ci sono importanti sfide per il designer. Questi includono:

Scelta della dimensione del transistor di output

Protezione in fase di uscita

Qualità del suono

Tecnica di modulazione

EMI

Design del filtro LC

Costo del sistema

Scelta della dimensione del transistor di output

La dimensione del transistor di uscita viene scelta per ottimizzare la dissipazione di potenza su una vasta gamma di condizioni del segnale. Garantire questoV_Dsrimane piccolo quando conduci in grandeI_Ds richiede la resistenza on (R_SU) dei transistor di output per essere piccoli (in genere {{0}}. 1 ohm a 0,2 ohm). Ma ciò richiede grandi transistor con significativa capacità di gate (C_G). I circuiti di guida gate che cambiano la capacità consumano la potenzaCv²f, DoveC è la capacità,V è la variazione di tensione durante la ricarica ef è la frequenza di commutazione. Questa "perdita di commutazione" diventa eccessiva se la capacità o la frequenza sono troppo elevate, quindi esistono limiti superiori pratici. La scelta della dimensione del transistor è quindi un compromesso tra minimizzareI_Ds × V_Ds perdite durante la conduzione rispetto alla minimizzazionecommutazioneperdite. Le perdite conduttive dominano la dissipazione della potenza e l'efficienza a livelli di potenza di uscita elevati, mentre la dissipazione è dominata dalla commutazione delle perdite a bassi livelli di uscita. I produttori di transistor di potenza cercano di ridurre al minimo ilR_SU × C_G Prodotto dei loro dispositivi per ridurre la dissipazione complessiva di potenza nelle applicazioni di commutazione e per fornire flessibilità nella scelta della frequenza di commutazione.

Proteggere la fase di uscita

La fase di uscita deve essere protetta da una serie di condizioni potenzialmente pericolose:

Surriscaldamento: La dissipazione della potenza dello stadio di uscita di Classe D, sebbene inferiore a quella degli amplificatori lineari, può comunque raggiungere i livelli che mettono in pericolo i transistor di uscita se l'amplificatore è costretto a fornire una potenza molto elevata per molto tempo. Per proteggere dal pericoloso surriscaldamento, è necessario circuiti di controllo del monitoraggio della temperatura. Nei semplici schemi di protezione, lo stadio di uscita viene interrotto quando la sua temperatura, misurata da un sensore di chip, supera aShutdown termicoSoglia di sicurezza e viene tenuto fuori fino a quando non si raffredda. Il sensore può fornire ulteriori informazioni sulla temperatura, a parte la semplice indicazione binaria sul fatto che la temperatura abbia superato la soglia di arresto. Misurando la temperatura, i circuiti di controllo possono ridurre gradualmente il livello di volume, riducendo la dissipazione di potenza e mantenendo la temperatura ben entro i limiti che non sono in grado di forzare i periodi percettibili di silenzio durante gli eventi di shutdown termico.

Flusso di corrente eccessivo nei transistor di uscita: Il bassoSULa resistenza dei transistor di uscita non è un problema se lo stadio di uscita e i terminali degli altoparlanti sono correttamente collegati, ma possono derivare correnti enormi se questi nodi sono inavvertitamente corti l'uno all'altro o alle alimentatori positivi o negativi. Se non controllati, tali correnti possono danneggiare i transistor o i circuiti circostanti. Di conseguenza, sono necessari circuiti di protezione del transistor di uscita di rilevamento corrente. In semplici schemi di protezione, lo stadio di uscita viene interrotto se le correnti di uscita superano una soglia di sicurezza. In schemi più sofisticati, l'output del sensore corrente viene restituita nella ricerca dell'amplificatore per limitare la corrente di uscita a un livello massimo di sicurezza, consentendo al contempo l'amplificatore di funzionare continuamente senza chiudere. In questi schemi, l'arresto può essere forzato come ultima risorsa se il tentativo di limitazione si rivela inefficace. I limitatori di corrente efficaci possono anche mantenere l'amplificatore in esecuzione in sicurezza in presenza di correnti transitorie momentaneamente grandi a causa di risonanze degli altoparlanti.

Sottotensione: La maggior parte dei circuiti in fase di uscita di commutazione funziona bene solo se le tensioni di alimentazione positive sono abbastanza elevate. I problemi risultano se esiste unsottotensionecondizione, dove le forniture sono troppo basse. Questo problema è comunemente gestito da unLockout di sottotensioneCircuito, che consente alle fasi di uscita di funzionare solo se le tensioni di alimentazione sono al di sopra di una soglia di blocco di sottotensione.

Tempo di accensione del transistor di output: I transistor in stadio di uscita MH e ML (Figura 6) hanno molto bassoSUresistenza. È quindi importante evitare situazioni in cui sia MH che ML sono contemporaneamente, in quanto ciò creerebbe un percorso a bassa resistenza da V_Dda v_Ssattraverso i transistor e un grandesparatuttoattuale. Nella migliore delle ipotesi, i transistor si riscalderanno e sprecheranno energia; Nel peggiore dei casi, i transistor possono essere danneggiati.Break-Before-MakeIl controllo dei transistor impedisce la condizione di sparatoria forzando entrambi i transistor prima di accenderne uno. Gli intervalli di tempo in cui vengono spenti entrambi i transistor sono chiamatitempo non overlapOtempo morto.

Figura 6. Commutazione di transistiche in fase di uscita.

Qualità del suono

Diversi problemi devono essere affrontati per ottenere una buona qualità del suono complessiva negli amplificatori di classe D.

Clic e pop, che si verificano quando l'amplificatore si accende o si spegne può essere molto fastidioso. Sfortunatamente, tuttavia, sono facili da introdurre in un amplificatore di classe D a meno che non venga prestata attenzione allo stato del modulatore, ai tempi dello stadio di produzione e allo stato del filtro LC quando l'amplificatore è disattivato o non muto.

Rapporto segnale-rumore (SNR):Per evitare il sibilo udibile dal rumore dell'amplificatore, SNR dovrebbe in genere superare i 90 dB in amplificatori a bassa potenza per applicazioni portatili, 100 dB per progetti di media potenza e 110 dB per design ad alta potenza. Ciò è realizzabile per un'ampia varietà di implementazioni di amplificatore, ma le singole fonti di rumore devono essere monitorate durante la progettazione dell'amplificatore per garantire un SNR complessivo soddisfacente.

Meccanismi di distorsione:Questi includono le non linearità nella tecnica di modulazione o l'implementazione del modulatore e il tempo morto utilizzato nella fase di uscita per risolvere il problema della corrente di ripresa.

Le informazioni sul livello del segnale audio sono generalmente codificate nelle larghezze degli impulsi di uscita del modulatore di classe D. L'aggiunta di tempo morto per prevenire le correnti di scatto in fase di uscita introduce un errore di temporizzazione non lineare, che crea distorsione sull'altoparlante in proporzione all'errore di temporizzazione in relazione alla larghezza dell'impulso ideale. Il tempo morto più breve che evita il germoglio è spesso meglio per ridurre al minimo la distorsione; Vedere l'ulteriore lettura 2 per un metodo di progettazione dettagliato per ottimizzare le prestazioni di distorsione delle fasi di uscita di commutazione.

Altre fonti di distorsione includono: mancata corrispondenza dei tempi di ascesa e autunno negli impulsi di uscita, mancata corrispondenza delle caratteristiche di temporizzazione per i circuiti di guida del gate a transistor di output e non linearità nei componenti del filtro passa-basso LC.

Rifiuto di alimentazione (PSR):Nel circuito della Figura 2, il rumore di alimentazione si accoppia quasi direttamente all'altoparlante con pochissimo rifiuto. Ciò si verifica perché i transistor allo stadio di uscita collegano gli alimentatori al filtro passa-basso attraverso una resistenza molto bassa. Il filtro rifiuta il rumore ad alta frequenza, ma è progettato per passare tutte le frequenze audio, incluso il rumore. Vedere ulteriormente la lettura 3 per una buona descrizione dell'effetto del rumore di alimentazione nei circuiti di uscita a commutazione singola e differenziale.

Se non vengono affrontati né problemi di distorsione né alimentazione, è difficile ottenere PSR meglio di 1 0 dB o distorsione armonica totale (THD) meglio dello 0,1%. Ancora peggio, il THD tende ad essere il tipo di ordine elevato dal suono cattivo.

Fortunatamente, ci sono buone soluzioni a questi problemi. L'uso del feedback con un elevato guadagno ad anello (come è fatto in molti design di amplificatori lineari) aiuta molto. Il feedback dall'input del filtro LC migliorerà notevolmente la PSR e attenuerà tutti i meccanismi di distorsione non LC-filtro. Le non linearità del filtro LC possono essere attenuate includendo l'altoparlante nel circuito di feedback. La qualità del suono di livello audiofilo con PSR> 6 0 dB e THD <0,01% è raggiungibile in amplificatori di classe D a circuito chiuso ben progettati.

Il feedback complica il design dell'amplificatore, tuttavia, poiché la stabilità del loop deve essere affrontata (una considerazione non banale per il design di alto ordine). Inoltre, è necessario un feedback analogico a tempo continuo per acquisire informazioni importanti sugli errori di temporizzazione degli impulsi, quindi il ciclo di controllo deve includere circuiti analogici per elaborare il segnale di feedback. Nelle implementazioni di amplificatore a circuito integrato, ciò può aggiungere al costo del dado.

Per ridurre al minimo i costi IC, alcuni fornitori preferiscono ridurre al minimo o eliminare il contenuto di circuiti analogici. Alcuni prodotti utilizzano un modulatore ad anello aperto digitale, oltre a un convertitore da analogico a digitale per rilevare le variazioni di approvvigionamento di potenza e regolare il comportamento del modulatore per compensare, come proposto in ulteriori letture 3. Ciò può migliorare il PSR, ma non affronterà nessuno dei problemi di distorsione. Altri modulatori digitali tentano di precarensare per gli errori di temporizzazione dello stadio di output previsti o correggere le non idealtà del modulatore. Questo può almeno affrontare in parte alcuni meccanismi di distorsione, ma non tutti. Le applicazioni che tollerano i requisiti di qualità del suono abbastanza rilassati possono essere gestite da questi tipi di amplificatori di classe D ad anello aperto, ma una qualche forma di feedback sembra necessaria per la migliore qualità audio.

Tecnica di modulazione

I modulatori di classe D possono essere implementati in molti modi, supportati da una grande quantità di ricerca correlata e proprietà intellettuale. Questo articolo introdurrà solo concetti fondamentali.

Tutte le tecniche di modulazione di classe D codificano informazioni sul segnale audio in un flusso di impulsi. Generalmente, il polsolarghezzesono collegati all'ampiezza del segnale audio e lo spettro degli impulsi include il segnale audio desiderato più contenuto ad alta frequenza indesiderato (ma inevitabile). La potenza totale integrata ad alta frequenza in tutti gli schemi è all'incirca la stessa, poiché la potenza totale nelle forme d'onda del dominio del tempo è simile e, dal teorema di Parseval, la potenza nel dominio del tempo deve essere uguale al potere nel dominio della frequenza. Tuttavia, la distribuzione dell'energia varia ampiamente: in alcuni schemi, ci sono toni ad alta energia in cima a un basso rumore, mentre in altri schemi, l'energia è modellata in modo che i toni vengano eliminati ma il rumore è più alto.

La tecnica di modulazione più comune èModulazione della larghezza di impulsi(PWM). Concettualmente, PWM confronta il segnale audio di ingresso con una forma d'onda triangolare o di rampa che funziona a una fissa fissavettorefrequenza. Questo crea un flusso di impulsi alla frequenza portante. Entro ogni periodo del vettore, il rapporto di turno dell'impulso PWM è proporzionale all'ampiezza del segnale audio. Nell'esempio della Figura 7, l'ingresso audio e l'onda triangolare sono entrambi incentrati su 0 V, in modo che per 0 input, il rapporto di duty degli impulsi di output è 5 0%. Per un grande input positivo, è vicino al 100% ed è vicino allo 0% per un grande input negativo. Se l'ampiezza audio supera quella dell'onda triangolare,Modulazione completaSi verifica, laddove il treno di impulsi interrompe la commutazione e il rapporto di turno entro singoli periodi è 0% o 100%.

Figura 7. Concetto ed esempio di PWM.

PWM è attraente perché consente 100- dB o SNR a banda audio migliore alle frequenze portanti PWM di poche centinaia di kilohertz-baiti da limitare le perdite di commutazione nella fase di uscita. Inoltre, molti modulatori PWM sono stabili fino a quasi il 100% di modulazione, nel concetto che consente un elevato potenziamento di uscita fino al punto di sovraccarico. Tuttavia, PWM ha diversi problemi: in primo luogo, il processo PWM aggiunge intrinsecamente la distorsione in molte implementazioni (ulteriori letture 4); Successivamente, le armoniche della frequenza portante PWM producono EMI all'interno della banda radio AM; E infine, le larghezze delle impulsi PWM diventano molto piccole quasi la modulazione completa. Ciò provoca problemi nella maggior parte dei circuiti del driver di uscita in fase di uscita, con la loro capacità di azionamento limitata, non possono passare correttamente alle velocità eccessive necessarie per riprodurre impulsi brevi con larghezze di alcuni nanosecondi. Di conseguenza, la modulazione completa è spesso irraggiungibile negli amplificatori a base di PWM, limitando la potenza di uscita massima raggiungibile a qualcosa di meno della massima teorica, che considera solo la tensione di approvvigionamento di potenza, transistorSUResistenza e impedenza degli altoparlanti.

Un'alternativa a PWM èModulazione della densità del impulso(PDM), in cui il numero di impulsi in una determinata finestra temporale è proporzionale al valore medio del segnale audio di ingresso. Le larghezze delle impulsi individuali non possono essere arbitrarie come in PWM, ma sono invece "quantizzate" ai multipli del periodo di clock del modulatore. 1- Bit Sigma-Delta Modulazione è una forma di PDM.

Gran parte dell'energia ad alta frequenza in Sigma-Delta è distribuita su una vasta gamma di frequenze non concentrate in toni su multipli di una frequenza portante, come nella modulazione Sigma-Delta che fornisce PWM con un potenziale vantaggio EMI rispetto a PWM. L'energia esiste ancora nelle immagini della frequenza di clock di campionamento PDM; Ma con frequenze di clock tipiche da 3 MHz a 6 MHz, le immagini sono al di fuori della banda di frequenza audio e sono fortemente attenuate dal filtro passa-basso LC.

Un altro vantaggio di Sigma-Delta è che la larghezza minima dell'impulso è un periodo di campionamento, anche per le condizioni del segnale che si avvicinano alla modulazione completa. Ciò allevia la progettazione del gate-driver e consente un funzionamento sicuro alla piena potenza teorica. Tuttavia la modulazione Sigma-Delta bit 1- bit non è spesso utilizzata negli amplificatori di classe D (ulteriori letture 4) perché i modulatori BIT 1- convenzionali sono stabili solo alla modulazione del 50%. Inoltre, sono necessari almeno 64 × sovra-campionamento per ottenere sufficiente SNR a banda audio, quindi le velocità di dati di output tipiche sono almeno 1 MHz e l'efficienza energetica è limitata.

Recentemente,auto-oscillanteSono stati sviluppati amplificatori, come quello in Ulteriori letture 5. Questo tipo di amplificatore include sempre un ciclo di feedback, con proprietà del ciclo che determina la frequenza di commutazione del modulatore, anziché un orologio fornito esternamente. L'energia ad alta frequenza è spesso più uniformemente distribuita rispetto a PWM. È possibile un'eccellente qualità audio, grazie al feedback, ma il ciclo è auto-oscillante, quindi è difficile sincronizzare con qualsiasi altro circuito di commutazione o connettersi a fonti audio digitali senza prima convertire il digitale in analogico.

Il circuito a ponte intero (Figura 3) può utilizzare la modulazione "3- stato" per ridurre l'EMI differenziale. Con il funzionamento differenziale convenzionale, la polarità di uscita di mezzo ponte A deve essere opposta a quella di mezza ponte B. esistono solo due stati operativi differenziali: output un alto con il basso in uscita B; e un minimo con B alto. Esistono altri due stati in modalità comune, tuttavia, in cui entrambe le uscite a metà ponte sono la stessa polarità (sia alte che a entrambe le basse). Uno di questiin modalità comuneGli stati possono essere usati insieme agli stati differenziali per produrre modulazione dello stato {0}} in cui l'ingresso differenziale sul filtro LC può essere positivo, 0 o negativo. Lo stato 0 può essere usato per rappresentare livelli di potenza bassi, invece di passare da uno stato positivo e negativo come in uno schema di stato 2-. Nel filtro LC si verifica pochissima differenziale durante lo stato 0, riducendo l'EMI differenziale, sebbene aumenti effettivamente EMI in modalità comune. Il beneficio differenziale si applica solo a bassi livelli di potenza, poiché gli stati positivi e negativi devono ancora essere utilizzati per fornire energia significativa all'altoparlante. Il livello di tensione in modalità comune variabile in 3- Schemi di modulazione dello stato presenta una sfida di progettazione per amplificatori a circuito chiuso.

Dominando EMI

I componenti ad alta frequenza dell'amplificatore di Classe D usciti meritano una seria considerazione. Se non correttamente compresi e gestiti, questi componenti possono generare grandi quantità di EMI e interrompere il funzionamento di altre attrezzature.

Due tipi di EMI sono preoccupanti: segnali che sono irradiati nello spazio e quelli che sono condotti tramite fili di altoparlanti e alimentazione. Lo schema di modulazione di classe D determina abasaleSpettro dei componenti dell'EMI condotta e irradiata. Tuttavia, alcune tecniche di progettazione a livello di scheda possono essere utilizzate per ridurre l'EMI emessa da un amplificatore di classe D, nonostante il suo spettro di base.

Un principio utile è quello di ridurre al minimo l'area dei loop che trasportano correnti ad alta frequenza, poiché la resistenza dell'EMI associata è correlata all'area del loop e alla vicinanza dei loop ad altri circuiti. Ad esempio, l'intero filtro LC (incluso il cablaggio dell'altoparlante) dovrebbe essere disposto nel modo più compatto possibile e tenuto vicino all'amplificatore. Le tracce per i percorsi di guida e ritorno di corrente devono essere tenuti insieme per ridurre al minimo le aree di loop (è utile utilizzare coppie intrecciate per i fili degli altoparlanti). Un altro posto dove concentrarsi è sui grandi transitori di carica che si verificano durante la commutazione della capacità del gate dei transistor in fase di uscita. Generalmente questa carica proviene da unserbatoioCapacità, formando un ciclo di corrente contenente entrambe le capacità. L'impatto EMI dei transitori in questo ciclo può essere ridotto minimizzando l'area del loop, il che significa posizionare la capacità del serbatoio il più vicino possibile ai transistor che carica.

A volte è utile inserire strozzature RF in serie con gli alimentatori per l'amplificatore. Posizionati correttamente, possono limitare le correnti transitorie ad alta frequenza ai loop locali vicino all'amplificatore, invece di essere condotti per lunghe distanze lungo i fili di alimentazione.

Se il tempo di non-overlap di Gate-Drive è molto lungo, le correnti induttive dall'altoparlante o il filtro LC possono distorcere i diodi parassiti in avanti nei terminali dei transistor in fase di uscita. Al termine del tempo non overlap, la distorsione sul diodo viene modificata da avanti a retromarcia. I piccoli picchi di corrente inversa inversa possono fluire prima che il diodo si spenga completamente, creando una fonte problematica di EMI. Questo problema può essere ridotto al minimo mantenendo molto breve il tempo non overlap (consigliato anche per ridurre al minimo la distorsione dell'audio). Se il comportamento di recupero inverso è ancora inaccettabile, i diodi di Schottky possono essere paralleli ai diodi parassiti del transistor, al fine di deviare le correnti e impedire al diodo parassitario di accendere sempre. Questo aiuta perché le giunzioni metalliche-semiconduttori dei diodi di Schottky sono intrinsecamente immuni agli effetti di recupero inverso.

I filtri LC con nuclei induttori toroidali possono ridurre al minimo le linee di campo vaguale derivanti dalle correnti di amplificatore. Le radiazioni dal più economicotamburoI nuclei possono essere ridotti dalla schermatura, un buon compromesso tra costi e prestazioni EMI-if viene prestata per garantire che la schermatura non degrada inaccettabilmente la linearità dell'induttore e la qualità del suono presso l'altoparlante.

Design del filtro LC

Per risparmiare sul costo e sullo spazio della tavola, la maggior parte dei filtri LC per gli amplificatori di classe D sono design di secondo ordine. La Figura 3 mostra la versione differenziale di un filtro LC di secondo ordine. L'altoparlante serve a smorzare la risonanza intrinseca del circuito. Sebbene l'impedenza del diffusore sia talvolta approssimato come una semplice resistenza, l'impedenza effettiva è più complessa e può includere componenti reattivi significativi. Per i migliori risultati nella progettazione del filtro, si dovrebbe sempre cercare di utilizzare un modello di altoparlanti accurato.

Una scelta di design del filtro comune è quello di puntare alla larghezza di banda più bassa per la qualeDroopNella risposta al filtro alla più alta frequenza audio di interesse è ridotto al minimo. Un filtro tipico ha 40- KHz Butterworth Response (per ottenere una banda di passaggio massimo piatto), se si desidera un abbassamento di meno di 1 dB per frequenze fino a 20 kHz. I valori dei componenti nominali nella tabella forniscono una risposta approssimativa di Butterworth per le impedenze comuni degli altoparlanti e i valori standard L e C:

Se il design non include il feedback dell'altoparlante, THD presso l'altoparlante sarà sensibile alla linearità dei componenti del filtro LC.

Fattori di progettazione induttore:I fattori importanti nella progettazione o nella selezione dell'induttore includono l'attuale valutazione e la forma del core e la resistenza allo avvolgimento.

Valutazione attuale: Il nucleo scelto dovrebbe avere una valutazione di corrente al di sopra della corrente di amplificatore prevista più alta. Il motivo è che molti nuclei induttori satureranno magneticamente se la corrente supera la soglia di valutazione di corrente e la densità di flusso diventa troppo ad alta risoluzione nella riduzione drastica indesiderata dell'induttanza.

L'induttanza si forma avvolgendo un filo attorno al nucleo. Se ci sono molte curve, la resistenza associata alla lunghezza totale del filo è significativa. Poiché questa resistenza è in serie tra il mezzo ponte e l'altoparlante, parte della potenza di uscita verrà dissipata in essa. Se la resistenza è troppo alta, utilizzare un filo più spesso o cambiare il nucleo in un materiale diverso che richiede meno giri di filo per dare l'induttanza desiderata.

Infine, non si dovrebbe dimenticare che la forma dell'induttore utilizzato può influenzare l'EMI, come notato sopra.

Costo del sistema

Quali sono i fattori importanti nel costo complessivo di un sistema audio che utilizza amplificatori di classe D? Come possiamo ridurre al minimo il costo?

ILattivoI componenti dell'amplificatore di classe D sono lo stadio di uscita e il modulatore di commutazione. Questo circuito può essere costruito per circa lo stesso costo di un amplificatore lineare analogico. I veri compromessi si verificano quando si considerano altri componenti del sistema.

La bassa dissipazione della classe D consente di risparmiare il costo (e lo spazio) di apparato di raffreddamento come dissipatori di calore o ventole. Un amplificatore a circuito integrato di classe D può essere in grado di utilizzare un pacchetto più piccolo ed economico di quanto sia possibile per quello lineare. Se guidati da una sorgente audio digitale, gli amplificatori lineari analogici richiedono convertitori D\/A (DAC) per convertire l'audio in forma analogica. Ciò vale anche per gli amplificatori di classe D analogica, ma i tipi di input digitale integrano efficacemente la funzione DAC.

D'altra parte, lo svantaggio dei costi principali della Classe D è il filtro LC. I componenti, specialmente lo spazio della scheda induttori-occupati e aggiungono spese. Negli amplificatori ad alta potenza, il costo complessivo del sistema è ancora competitivo, poiché il costo del filtro LC è compensato da grandi risparmi negli apparecchi di raffreddamento. Ma in applicazioni sensibili ai costi e a bassa potenza, la spesa induttore diventa onerosa. In casi estremi, come amplificatori economici per i telefoni cellulari, un IC amplificatore può essere più economico del costo totale del filtro LC. Inoltre, anche se il costo monetario viene ignorato, lo spazio del consiglio occupato dal filtro LC può essere un problema in applicazioni di piccole forme.

Per affrontare queste preoccupazioni, il filtro LC viene talvolta eliminato per creare unsenza filtroamplificatore. Ciò consente di risparmiare costi e spazio, sebbene perda il beneficio del filtro passa-basso. Senza il filtro, l'EMI e la dissipazione di potenza ad alta frequenza possono aumentare inaccettabilmente, in meno che l'altoparlante sia induttivo e mantenuto molto vicino all'amplificatore, le aree ad anello di corrente sono minime e i livelli di potenza sono bassi. Sebbene spesso possibile in applicazioni portatili come i telefoni cellulari, non è possibile per sistemi a più potenza come gli stereo domestici.

Un altro approccio è ridurre al minimo il numero di componenti del filtro LC richiesti per canale audio. Ciò può essere realizzato utilizzando fasi di uscita a mezzo ponte singolo, che richiedono metà del numero di LS e CS necessari per circuiti differenziali a ponte pieno. Ma se il mezzo ponte richiede alimentatori bipolari, le spese associate alla generazione dell'offerta negativa possono essere proibitive, a meno che non sia già presente un'offerta negativa per qualche altro scopo o l'amplificatore ha abbastanza canali audio, per ammortizzare il costo dell'offerta negativa. In alternativa, il mezzo ponte potrebbe essere alimentato da una singola fornitura, ma ciò riduce la potenza di uscita e spesso richiede un grande condensatore di blocco CC.

Amplificatori di classe D di dispositivi analogici

Tutte le sfide di progettazione appena discusse possono aggiungere un progetto piuttosto impegnativo. Per risparmiare tempo per il designer, Analog Dispositive offre una varietà di circuiti integrati di amplificatore di classe D, incorporando amplificatori, modulatori e stadi di potenza di potenza. Per semplificare la valutazione, sono disponibili schede dimostrative per ciascun tipo di amplificatore per semplificare la valutazione. Il layout del PCB e le fatture di materiale per ciascuna di queste schede fungono da design di riferimento praticabile, aiutando i clienti a progettare rapidamente sistemi audio funzionanti e economici senza dover "reinventare la ruota" per risolvere le principali sfide di progettazione dell'amplificatore di classe D.

Considera, ad esempio, l'Ad1990, il 1992 e l'AD 1994- una famiglia di ICS a doppio amplificatore, destinata a applicazioni stereo o mono di potenza moderata che richiedono due canali con output-per-channel di 5-, 10- e 25- rispettivamente. Ecco alcune proprietà di questi IC:

L'amplificatore di potenza audio di classe D AD1994 combina due amplificatori a gain programmabile, due modulatori Sigma-Delta e due fasi di alimentazione per guidare carichi pieni di boschi H in applicazioni audio Home Theater, Automotive e PC. Genera forme d'onda di commutazione che possono guidare altoparlanti stereo fino a 25 W per altoparlante o un singolo altoparlante a 50 W monofonico, con efficienza del 90%. I suoi input single-ended sono applicati a un amplificatore a gain programmabile (PGA) con guadagni impostabili a 0-}, 6-, 12- e 18 dB, per gestire i segnali di basso livello.

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 >60 dB PSR, utilizzando un feedback analogico a tempo continuo dalla fase di uscita di commutazione e un'unità gate in uscita ottimizzata. Il suo modulatore Sigma-Delta 1- bit è particolarmente migliorato per l'applicazione di classe D per ottenere una frequenza media dei dati di 500 kHz, con un aumento elevato del ciclo al 90% di modulazione e stabilità alla completa modulazione. UNautonomoLa modalità modulatore gli consente di guidare FET esterni per una maggiore potenza di uscita.

Utilizza una fornitura {{0}} V per PGA, modulatore e logica digitale e una fornitura ad alta tensione da 8 V a 20 V per lo stadio di uscita di commutazione. Il design di riferimento associato soddisfa i requisiti EMI di classe B FCC. Quando guidano 6 ohm carichi con 5- V e 12- v Supplies, l'Ad1994 si dissipa 487 MW QUIESCENTE, 710 MW al livello di output 2 1- W e 0,27 MW inpow-downmodalità. Disponibile in un pacchetto 64- Lead LFCSP, è specificato da -40 gradi a +85

Nella sezione di lettura si trovano ulteriori informazioni tecniche sugli amplificatori di classe D, inclusi le implementazioni con processori Blackfin.