Amplificador de clase D - Class-D amplifier

Diagrama de bloques de un amplificador de conmutación básico o PWM (clase D).
Nota: Para mayor claridad, los períodos de señal no se muestran a escala.

Un amplificador de clase D o un amplificador de conmutación es un amplificador electrónico en el que los dispositivos amplificadores (transistores, generalmente MOSFET ) funcionan como interruptores electrónicos y no como dispositivos de ganancia lineal como en otros amplificadores. Operan cambiando rápidamente de un lado a otro entre los rieles de suministro, siendo alimentados por un modulador que usa ancho de pulso, densidad de pulso o técnicas relacionadas para codificar la entrada de audio en un tren de pulsos. El audio se escapa a través de un simple filtro de paso bajo hacia el altavoz. Los pulsos de alta frecuencia están bloqueados. Dado que los pares de transistores de salida nunca conducen al mismo tiempo, no hay otra ruta para el flujo de corriente aparte del filtro de paso bajo / altavoz. Por este motivo, la eficiencia puede superar el 90%.

Historia

El primer amplificador de clase D fue inventado por el científico británico Alec Reeves en la década de 1950 y recibió ese nombre por primera vez en 1955. El primer producto comercial fue un módulo de kit llamado X-10 lanzado por Sinclair Radionics en 1964. Sin embargo, había una potencia de salida de solo 2,5 vatios . El Sinclair X-20 en 1966 produjo 20 vatios, pero sufrió de las inconsistencias y limitaciones del germanio -basadas BJT (bipolar transistor de unión) transistores disponibles en el momento. Como resultado, estos primeros amplificadores de clase D no fueron prácticos y no tuvieron éxito. Los amplificadores de clase D prácticos se habilitaron más tarde mediante el desarrollo de la tecnología MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico) basada en silicio . En 1978, Sony presentó el TA-N88, la primera unidad de clase D en emplear MOSFET de potencia y una fuente de alimentación de modo conmutado . Posteriormente, se produjeron rápidos desarrollos en la tecnología VDMOS ( DMOS vertical ) entre 1979 y 1985. La disponibilidad de MOSFET de conmutación rápida y de bajo costo llevó a que los amplificadores de clase D tuvieran éxito a mediados de la década de 1980. Tripath lanzó el primer circuito integrado basado en amplificador de clase D en 1996 y tuvo un uso generalizado.

Operación básica

Los amplificadores de clase D funcionan generando un tren de pulsos rectangulares de amplitud fija pero con un ancho y una separación variables, o un número variable por unidad de tiempo, que representa las variaciones de amplitud de la señal de entrada de audio analógica. El reloj del modulador puede sincronizarse con una señal de audio digital entrante, eliminando así la necesidad de convertir la señal a analógica. La salida del modulador se utiliza para activar y desactivar alternativamente los transistores de salida. Se tiene mucho cuidado para asegurar que nunca se permita que el par de transistores conduzcan juntos, ya que esto causaría un cortocircuito entre los rieles de suministro a través de los transistores. Dado que los transistores están completamente "encendidos" o completamente "apagados", pasan muy poco tiempo en la región lineal y disipan muy poca energía. Ésta es la razón principal de su alta eficiencia. Un filtro de paso bajo simple que consta de un inductor y un condensador proporciona una ruta para las bajas frecuencias de la señal de audio, dejando atrás los pulsos de alta frecuencia. En aplicaciones sensibles a los costos, a veces se omite el filtro de salida. Luego, el circuito se basa en la inductancia del altavoz para evitar que el componente de HF caliente la bobina móvil.

La estructura de una etapa de potencia de clase D es algo comparable a la de un convertidor reductor rectificado sincrónicamente (un tipo de fuente de alimentación de modo conmutado no aislado (SMPS) ), pero funciona al revés. Mientras que los convertidores reductores generalmente funcionan como reguladores de voltaje , entregan un voltaje de CC constante en una carga variable y solo pueden generar corriente (operación de un cuadrante), un amplificador de clase D entrega un voltaje que cambia constantemente en una carga fija, donde la corriente y el voltaje puede cambiar de signo de forma independiente (operación de cuatro cuadrantes). Un amplificador de conmutación no debe confundirse con amplificadores lineales que utilizan un SMPS como fuente de alimentación de CC. Un amplificador de conmutación puede utilizar cualquier tipo de fuente de alimentación (por ejemplo, una batería de automóvil o un SMPS interno), pero la característica definitoria es que el proceso de amplificación en sí opera mediante conmutación. A diferencia de un SMPS, el amplificador tiene un trabajo mucho más crítico que hacer, mantener los artefactos no deseados fuera de la salida. La retroalimentación se usa casi siempre, por las mismas razones que en los amplificadores analógicos tradicionales, para reducir el ruido y la distorsión.

La eficiencia energética teórica de los amplificadores de clase D es del 100%. Es decir, toda la potencia que se le suministra se entrega a la carga, ninguna se convierte en calor. Esto se debe a que un interruptor ideal en su estado "encendido" conduciría toda la corriente pero no tendría pérdida de voltaje a través de él, por lo que no se disiparía calor. Y cuando está apagado, tendría todo el voltaje de suministro a través de él, pero no fluiría corriente de fuga a través de él, y nuevamente no se disiparía el calor. Los MOSFET de potencia del mundo real no son conmutadores ideales, pero son comunes las eficiencias prácticas superiores al 90%. Por el contrario, los amplificadores lineales de clase AB siempre funcionan con corriente fluyendo a través y voltaje en los dispositivos de potencia. Un amplificador de clase B ideal tiene una eficiencia máxima teórica del 78%. Los amplificadores de clase A (puramente lineales, con los dispositivos siempre "encendidos") tienen una eficiencia máxima teórica del 50% y algunas versiones tienen eficiencias por debajo del 20%.

Terminología

El término "clase D" a veces se malinterpreta como un amplificador " digital ". Si bien algunos amplificadores de clase D pueden estar controlados por circuitos digitales o incluir dispositivos de procesamiento de señales digitales, la etapa de potencia se ocupa del voltaje y la corriente en función del tiempo no cuantificado. La menor cantidad de ruido, incertidumbre de tiempo, fluctuación de voltaje o cualquier otra no idealidad resulta inmediatamente en un cambio irreversible de la señal de salida. Los mismos errores en un sistema digital solo conducirán a resultados incorrectos cuando se vuelvan tan grandes que una señal que representa un dígito se distorsiona más allá del reconocimiento. Hasta ese momento, las no idealidades no tienen ningún impacto en la señal transmitida. Generalmente, las señales digitales se cuantifican tanto en amplitud como en longitud de onda, mientras que las señales analógicas se cuantifican en una (por ejemplo, PWM) o (normalmente) ninguna cantidad.

Modulación de señal

La forma de onda de 2 niveles se deriva utilizando modulación de ancho de pulso (PWM), modulación de densidad de pulso (a veces denominada modulación de frecuencia de pulso), control de modo deslizante (más comúnmente llamado "modulación auto-oscilante" en el comercio) o discreto- formas temporales de modulación como la modulación delta-sigma .

La forma más básica de crear la señal PWM es utilizar un comparador de alta velocidad (" C " en el diagrama de bloques anterior) que compara una onda triangular de alta frecuencia con la entrada de audio. Esto genera una serie de pulsos cuyo ciclo de trabajo es directamente proporcional al valor instantáneo de la señal de audio. El comparador luego maneja un controlador de puerta MOS que a su vez maneja un par de interruptores de alta potencia (generalmente MOSFET ). Esto produce una réplica amplificada de la señal PWM del comparador. El filtro de salida elimina los componentes de conmutación de alta frecuencia de la señal PWM y recupera la información de audio que el altavoz puede usar.

Los amplificadores basados ​​en DSP que generan una señal PWM directamente a partir de una señal de audio digital (por ejemplo, SPDIF ) utilizan un contador para medir la longitud del pulso o implementan un equivalente digital de un modulador de base triangular. En cualquier caso, la resolución de tiempo que ofrecen las frecuencias de reloj prácticas es solo unas pocas centésimas de un período de conmutación, lo que no es suficiente para garantizar un bajo nivel de ruido. En efecto, la longitud del pulso se cuantifica , lo que da como resultado una distorsión de cuantificación . En ambos casos, la retroalimentación negativa se aplica dentro del dominio digital, formando un modelador de ruido que tiene un ruido más bajo en el rango de frecuencia audible.

Desafíos de diseño

Velocidad de conmutación

Dos desafíos de diseño importantes para los circuitos de controlador MOSFET en amplificadores de clase D son mantener los tiempos muertos y el funcionamiento en modo lineal lo más cortos posible. El "tiempo muerto" es el período durante una transición de conmutación cuando ambos MOSFET de salida se activan en modo de corte y ambos están "apagados". Los tiempos muertos deben ser lo más cortos posible para mantener una señal de salida precisa de baja distorsión, pero los tiempos muertos que son demasiado cortos hacen que el MOSFET que se enciende comience a conducir antes de que el MOSFET que se apaga deje de conducir. Los MOSFET acortan efectivamente la fuente de alimentación de salida a través de sí mismos en una condición conocida como "disparo directo". Mientras tanto, los controladores MOSFET también necesitan conducir los MOSFET entre estados de conmutación lo más rápido posible para minimizar la cantidad de tiempo que un MOSFET está en modo lineal, el estado entre el modo de corte y el modo de saturación donde el MOSFET no está completamente encendido ni completamente se apaga y conduce corriente con una resistencia significativa, creando un calor significativo. Las fallas del controlador que permiten el disparo directo y / o un funcionamiento excesivo en modo lineal dan como resultado pérdidas excesivas y, a veces, fallas catastróficas de los MOSFET. También existen problemas con el uso de PWM para el modulador; a medida que el nivel de audio se acerca al 100%, el ancho del pulso puede reducirse tanto como para desafiar la capacidad del circuito del controlador y el MOSFET para responder. Estos pulsos pueden reducirse a unos pocos nanosegundos y pueden dar lugar a las condiciones no deseadas anteriores de disparo directo y / o modo lineal. Esta es la razón por la que otras técnicas de modulación, como la modulación por densidad de pulsos, pueden acercarse más a la eficiencia teórica del 100% que PWM.

Interferencia electromagnetica

La etapa de potencia de conmutación genera tanto dV / dt como dI / dt altos, que dan lugar a emisiones radiadas siempre que cualquier parte del circuito sea lo suficientemente grande como para actuar como antena . En la práctica, esto significa que los alambres y cables de conexión serán los radiadores más eficientes, por lo que se debe hacer un mayor esfuerzo para evitar que las señales de alta frecuencia lleguen a:

  • Evite el acoplamiento capacitivo de señales de conmutación en el cableado.
  • Evite el acoplamiento inductivo de varios bucles de corriente en la etapa de potencia en el cableado.
  • Utilice un plano de tierra ininterrumpido y agrupe todos los conectores para tener una referencia de RF común para desacoplar condensadores
  • Incluya la inductancia en serie equivalente de los condensadores de filtro y la capacitancia parásita de los inductores de filtro en el modelo de circuito antes de seleccionar los componentes.
  • Dondequiera que se encuentre el timbre , ubique las partes inductivas y capacitivas del circuito resonante que lo causa, y use amortiguadores RC en serie o RL en paralelo para reducir el Q de la resonancia.
  • No haga que los MOSFET cambien más rápido de lo necesario para cumplir con los requisitos de eficiencia o distorsión. La distorsión se reduce más fácilmente usando retroalimentación negativa que acelerando la conmutación.

Diseño de fuente de alimentación

Los amplificadores de clase D imponen un requisito adicional a su fuente de alimentación, es decir, que puedan absorber la energía que regresa de la carga. Las cargas reactivas (capacitivas o inductivas) almacenan energía durante parte de un ciclo y liberan parte de esta energía más tarde. Los amplificadores lineales disiparán esta energía, los amplificadores de clase D la devuelven a la fuente de alimentación que de alguna manera debería poder almacenarla. Además, los amplificadores de clase D de medio puente transfieren energía de un riel de suministro (p. Ej., El riel positivo) al otro (p. Ej. El negativo) según el signo de la corriente de salida. Esto sucede independientemente de si la carga es resistiva o no. El suministro debe tener suficiente almacenamiento capacitivo en ambos rieles o ser capaz de transferir esta energía de regreso.

Selección de dispositivo activo

Los dispositivos activos en un amplificador de Clase D solo necesitan actuar como interruptores controlados y no necesitan tener una respuesta particularmente lineal a la entrada de control. Se suelen utilizar transistores bipolares o transistores de efecto de campo. Los tubos de vacío se pueden utilizar como dispositivos de conmutación de potencia en amplificadores de audio de potencia de clase D.

Control de errores

La salida real del amplificador no solo depende del contenido de la señal PWM modulada. El voltaje de la fuente de alimentación modula directamente en amplitud el voltaje de salida, los errores de tiempo muerto hacen que la impedancia de salida no sea lineal y el filtro de salida tiene una respuesta de frecuencia fuertemente dependiente de la carga. Una forma eficaz de combatir los errores, independientemente de su origen, es la retroalimentación negativa . Se puede crear un circuito de retroalimentación que incluya la etapa de salida utilizando un integrador simple. Para incluir el filtro de salida, se utiliza un controlador PID , a veces con términos integradores adicionales. La necesidad de devolver la señal de salida real al modulador hace que la generación directa de PWM a partir de una fuente SPDIF sea poco atractiva. Mitigar los mismos problemas en un amplificador sin retroalimentación requiere abordar cada uno por separado en la fuente. La modulación de la fuente de alimentación se puede cancelar parcialmente midiendo el voltaje de la fuente para ajustar la ganancia de la señal antes de calcular el PWM y la distorsión se puede reducir cambiando más rápido. La impedancia de salida no se puede controlar más que a través de la retroalimentación.

Ventajas

La principal ventaja de un amplificador de clase D es que puede ser más eficiente que un amplificador lineal, con menos potencia disipada como calor en los dispositivos activos. Dado que no se requieren grandes disipadores de calor , los amplificadores de clase D son mucho más livianos que los amplificadores de clase A, B o AB, una consideración importante con los equipos de sistemas de refuerzo de sonido portátiles y los amplificadores de bajos . Las etapas de salida, como las que se utilizan en los generadores de impulsos, son ejemplos de amplificadores de clase D. Sin embargo, el término se aplica principalmente a los amplificadores de potencia destinados a reproducir señales de audio con un ancho de banda muy por debajo de la frecuencia de conmutación.

Amplificador mono Boss Audio. La etapa de salida está arriba a la izquierda, los choques de salida son los dos toroides amarillos debajo.

Usos

  • Sistemas de cine en casa en caja . Estos económicos sistemas de cine en casa están equipados casi universalmente con amplificadores de clase D. Debido a los requisitos de rendimiento modestos y el diseño sencillo, la conversión directa de audio digital a PWM sin retroalimentación es más común.
  • Teléfonos móviles . El altavoz interno funciona con hasta 1 W. La clase D se utiliza para preservar la vida útil de la batería.
  • Audífonos . El altavoz en miniatura (conocido como receptor) es impulsado directamente por un amplificador de clase D para maximizar la vida útil de la batería y puede proporcionar niveles de saturación de 130 dB SPL o más.
  • Altavoces autoamplificados
  • El audio de gama alta es generalmente conservador con respecto a la adopción de nuevas tecnologías, pero han aparecido amplificadores de clase D
  • Subwoofers activos
  • Sistemas de refuerzo de sonido . Para una amplificación de muy alta potencia, la pérdida de potencia de los amplificadores AB es inaceptable. Los amplificadores con varios kilovatios de potencia de salida están disponibles como clase D. Hay disponibles amplificadores de potencia de clase D que tienen una potencia nominal de 1500 W por canal, pero pesan solo 21 kg (46 lb).
  • Amplificación de instrumentos de bajo
  • Los amplificadores de radiofrecuencia pueden utilizar la Clase D u otras clases de modo de conmutación para proporcionar amplificación de potencia de RF de alta eficiencia en los sistemas de comunicaciones.

Ver también

Referencias

enlaces externos