Amplificatore di classe D Amplificatore audio per auto

La tecnologia di amplificazione dei segnali sonori si è sviluppata per 15-20 anni. Ha dei vantaggi piuttosto certi rispetto a quello implementato negli amplificatori audio di classe A o AB diffusi. Intendiamo l'amplificatore della classe D. Il suo vantaggio è principalmente dovuto alla sua alta efficienza.

Classi di amplificazione per auto

Un amplificatore audio per auto funzionante in classe A è costituito da stadi di transistor attivati ​​(condotti) sia durante l'intera durata del segnale audio in ingresso che in sua assenza. Ha un basso livello di distorsione del segnale di uscita audio amplificato, poiché i suoi transistor operano su sezioni lineari delle loro caratteristiche e traducono completamente i segnali di ingresso verso l'uscita del circuito, ma allo stesso tempo ha un'efficienza molto bassa. Questi dispositivi sono generalmente progettati per applicazioni audio di alta qualità per le quali i problemi di perdita di alimentazione non sono decisivi. I transistor amplificatori di Classe B conducono solo semionde negative o positive del segnale di ingresso. Inoltre, la presenza di zone morte vicino al punto zero porta ad un alto livello di distorsione. Tuttavia, questo effetto fornisce caratteristiche molto migliori rispetto ai dispositivi di tipo A. Un amplificatore di classe AB combina le caratteristiche di entrambi i precedenti con l'obiettivo di ottenere una migliore efficienza rispetto alla classe A, ma una minore distorsione rispetto al tipo B. Sebbene questi dispositivi siano adatti per dispositivi a bassa potenza, o, nel migliore dei casi, di potenza media, la tendenza degli ultimi anni è il rilascio di amplificatori sempre più potenti. Una volta 30 watt è stato considerato abbastanza per soddisfare la maggior parte dei consumatori. Ora questo è appena sufficiente per creare un amplificatore audio stereo di alta qualità per auto. Di conseguenza, sono state create le loro nuove classi, compresa la classe D, per far fronte a questo elevato consumo energetico.

Quali sono i vantaggi dei dispositivi di classe D?

La loro architettura è completamente diversa dagli amplificatori delle altre classi sopra elencate ed è simile al pulsato fonti di energia (UPS). L'amplificatore della Classe D si basa anche sull'uso della modulazione della larghezza dell'impulso ad alta frequenza (PWM o PWM) per creare un segnale di uscita. I suoi transistor sono completamente accesi (la caduta di tensione su di essi è molto piccola) o completamente disattivati ​​(la corrente che li attraversa è vicina allo zero). In entrambi i casi, la potenza delle perdite elettriche (il prodotto della caduta di corrente e di tensione) è molto piccola e, di norma, perdono molta meno energia sotto forma di calore. Pertanto, questa architettura è ben implementata sulla base di transistor MOS molto piccoli ed economici. L'amplificatore della Classe D può raggiungere un livello molto alto di efficienza energetica, che porta a significativi risparmi energetici della fonte di energia. Tuttavia, la conversione del segnale audio in ingresso in un segnale PWM, accompagnato dalla sua quantizzazione, può a sua volta causare una maggiore distorsione in uscita rispetto a un amplificatore di un'altra architettura. Lo scopo di creare dispositivi di questa classe era ridurre la distorsione a bassi livelli mantenendo un'elevata efficienza energetica.

Confronto dell'efficienza degli amplificatori di varie classi

La figura seguente mostra una dipendenza tipica dell'efficienza della potenza di uscita per i dispositivi delle classi D e AB. La massima efficienza teorica nella classe D raggiunge il 100%, e oltre il 90% è realizzabile nella pratica. Si noti che raggiunge già il 90% a potenza di uscita moderata, mentre la massima efficienza nella classe AB al 78% si ottiene solo a piena potenza. Nel guadagno pratico dei segnali musicali, l'efficienza è inferiore al 50%. Un amplificatore del suono di classe D ad alta efficienza consuma meno energia per una data potenza di uscita, ma soprattutto, i requisiti per il dissipatore di calore sono drasticamente ridotti. Chiunque abbia costruito o visto un amplificatore audio potente probabilmente sa che sono necessari grandi radiatori in alluminio per mantenere la temperatura relativamente bassa dell'elettronica.

Carico trasformatore di potenza anche ridotto di una quantità significativa, consentendo l'uso delle sue dimensioni più piccole per la stessa potenza. Posso costruire un amplificatore di classe D con le mie mani?

La figura seguente mostra un dispositivo da 400 watt. Un radioamatore qualificato non vedrà nulla in questo progetto che lo costringerebbe ad abbandonare la sua calligrafia.

Area di utilizzo principale

Se approfondisci i dettagli di questa tecnologia, noterai che un buon amplificatore di classe D (a bassa distorsione, gamma completa) dovrebbe funzionare a frequenze piuttosto elevate, nell'intervallo da 100 kHz a 1 MHz, utilizzando dispositivi di segnalazione ad alta velocità e fonti di alimentazione appropriate. . Inizialmente, questo ha portato all'uso di questa classe in cui non è richiesta una larghezza di banda completa e un livello più alto di distorsione è consentito, cioè in subwoofer e dispositivi per uso industriale.

Tuttavia, col passare del tempo, tutto è cambiato e grazie agli attuali transistor a transistor ad alta velocità, l'uso della tecnologia di feedback avanzata, i dispositivi di classe D possono essere sviluppati per ogni tipo di applicazione, incluso un amplificatore audio in un'automobile. Sono caratterizzati da un elevato livello di potenza, dimensioni ridotte e bassa distorsione, paragonabili a una buona classe di progettazione AB.

Amplificatore di classe D: diagramma strutturale

Può essere implementato in forma analogica o digitale. La versione analogica di solito consiste in un comparatore, un generatore di segnali triangolari e diversi blocchi per convertire il segnale di ingresso prima di applicarlo ai transistor MOSFET di uscita. Lo schema di un tale amplificatore audio è mostrato nella figura seguente. Il segnale audio viene dapprima convertito in una modulazione della durata dell'impulso (PWM abbreviato). Come i segnali nei circuiti di dispositivi digitali che accettano solo due livelli, 1 e 0 logici, ha anche solo due livelli: alto e basso. Tuttavia, il livello variabile del segnale audio in ingresso è contenuto nel suo parametro come la durata dell'impulso. Più grande è il segnale di ingresso, più breve è l'impulso. Naturalmente, tale sostituzione di un segnale analogico, in grado di prendere un numero infinito di valori in qualsiasi intervallo della larghezza dell'impulso del segnale PWM, solo un valore di questa durata porta alla perdita di informazioni. Ma maggiore è la frequenza di ripetizione dell'impulso, più accuratamente il suono viene successivamente riprodotto. Come si trasforma esattamente in un amplificatore di classe D? Il circuito contiene uno stadio di uscita acceso transistor ad effetto di campo mostrato separatamente nell'immagine qui sotto. Amplificano gli impulsi in ingresso senza introdurre quasi alcuna distorsione nella loro forma. Il segnale PWM amplificato, che passa oltre attraverso il filtro passa-basso in uscita, viene nuovamente convertito in forma analogica, rappresentando il segnale di ingresso amplificato.

Ancora una volta sulla potenza dissipata dai transistor di uscita

Un semplice amplificatore audio (classe A o AB) ha almeno uno dei dispositivi di uscita (nella forma di un transistor bipolare o di campo), che trasmette corrente in qualsiasi momento. La corrente I che scorre attraverso di essa passa attraverso una giunzione collettore-emettitore (o fonte di scarico), dove c'è una caduta di tensione U. Anche se non c'è segnale di uscita, una piccola quantità di corrente deve fluire attraverso il transistor. Poiché il valore P = U * I determina la potenza dissipata, si verifica una dispersione termica su di essa. All'aumentare della tensione di uscita, il livello di carica sul transistor diminuirà, ma la corrente aumenterà. Alla saturazione (interruzione) la tensione tra il collettore e l'emettitore (fonte di scarico) sarà bassa, ma la corrente attuale diventerà piuttosto alta. Viceversa, con un basso livello di potenza in uscita, la corrente è piccola ma una grande caduta di tensione. Ciò porta a una curva di dissipazione di potenza che dipende non linearmente dalla potenza di uscita. Esiste una dissipazione di calore minima non nulla (efficienza minima) e un punto in cui viene raggiunta un'efficienza di circa il 78% in un dispositivo di classe pura AB e il 25% o meno in classe A.

Un semplice amplificatore audio in classe D, d'altra parte, basa il suo lavoro sulla commutazione di un transistor di uscita tra due stati, ovvero "On" e "Off". Prima di discutere i dettagli specifici dei circuiti, possiamo dire che una certa quantità di corrente scorre attraverso il dispositivo allo stato "On", mentre teoricamente alla transizione drain-source, la tensione fornita dalla fonte di alimentazione praticamente non scende (sì, quasi ogni dispositivo D utilizza transistori MOS), quindi la potenza dissipata è teoricamente zero. Nello stato off, la caduta di tensione sarà uguale alla tensione di alimentazione completa, in modo che il transistor sia come una sezione di circuito aperto attraverso la quale la corrente non scorre (che è molto vicina alla realtà).

Cos'è un segnale PWM?

I transistor di uscita dell'amplificatore di classe D possono creare all'uscita dello stadio amplificatore solo due livelli di tensione corrispondenti ai due stati sopra menzionati. In questo caso, la sinusoide non può essere rappresentata da questi due possibili livelli. Infatti, il segnale audio modula la durata degli impulsi rettangolari di uscita, che durano da uno stato del transistor all'altro, in modo tale che le informazioni su di esso siano ancora memorizzate. Ora dobbiamo capire come viene eseguita questa modulazione e come recuperare il segnale sonoro amplificato dall'impulso. Il metodo più comune utilizzato nei dispositivi di classe D è PWM ad onda quadra. Sebbene il tasso di ripetizione di quest'ultimo sia fisso, la loro durata varia a seconda del segnale audio in ingresso. Pertanto, quando il segnale di ingresso aumenta, la durata dell'impulso aumenta e le pause tra di esse sono ridotte e viceversa.

Circuito di generazione del segnale PWM

Generalmente viene generato confrontando il segnale di ingresso con un treno di impulsi triangolare. Entrambi i segnali vengono inviati all'ingresso del comparatore, come mostrato nella figura seguente. Gli impulsi triangolari determinano l'ampiezza del segnale audio in ingresso per la piena modulazione e la frequenza di commutazione dei transistor di uscita. L'uscita del comparatore "digitale" utilizza livelli logici standard, dove 0 V corrisponde a uno zero logico e 5 V corrisponde a uno logico. A causa di questa quasi-digitalizzazione del segnale PWM, gli amplificatori che lo utilizzano vengono a volte chiamati erroneamente amplificatori digitali. In realtà, l'intero processo è più analogico che digitale. Molto probabilmente, il segnale PWM può essere attribuito a segnali discreti e la frequenza di ripetizione dei suoi impulsi è la frequenza di campionamento del segnale analogico originale.

Come viene generato il segnale PWM

La figura seguente illustra come un segnale audio viene convertito in un modulo PWM usando un comparatore che confronta un segnale audio costituito da onde armoniche sinusoidali di una frequenza relativamente bassa con un segnale triangolare di una frequenza molto più alta. Un livello elevato si forma all'uscita del comparatore se la tensione istantanea dell'onda triangolare è inferiore a quella del segnale sonoro, o bassa se è più alta. La logica di questa trasformazione può essere inversa. Quindi viene formato un livello alto se il segnale triangolare supera un segnale sinusoidale e un livello basso - nel caso opposto, come mostrato nella figura sottostante.

In ogni caso, l'uscita del comparatore è costituita da una serie di impulsi la cui larghezza varia a seconda del livello istantaneo del segnale di ingresso. Il livello medio del segnale PWM ha la stessa forma del segnale audio originale.

Come recuperare un segnale audio da un segnale PWM

Per ottenere una copia esatta della tensione analogica in ingresso da un segnale PWM discreto, la sua frequenza di campionamento deve essere molto più alta della frequenza massima nel suo spettro. Secondo il teorema di Nyquist (la teoria russa delle telecomunicazioni usa il suo analogo, il teorema di Kotelnikov), questo eccesso deve essere almeno doppio, tuttavia gli amplificatori di alta qualità con un basso livello di distorsione usano un rapporto elevato (di solito da 5 a 50).

Il segnale PWM, amplificato dallo stadio del transistor di uscita, contiene componenti a bassa frequenza che riproducono completamente lo spettro del segnale audio in ingresso. Ma contiene anche componenti con una frequenza di campionamento (e le sue armoniche) che devono essere rimossi per ripristinare il segnale sonoro modulante originale. Per raggiungere questo obiettivo è necessario un potente filtro passa-basso. Di solito viene usato un filtro LC passivo, perché non ci sono quasi perdite in esso, e ha poca o quasi nessuna dispersione. Anche se ci dovrebbero sempre essere delle perdite, in pratica sono minime.

Implementazione digitale

L'amplificatore digitale di classe D è costituito da unità di elaborazione e trasmissione dati digitali implementate su un microcontrollore e un'unità di generazione di segnali PWM. Può essere implementato come dispositivo esterno autonomo su un sistema audio già finito. Tuttavia, ciò comporta costi aggiuntivi (è necessario acquistare e saldare chip) e il potenziale aumento del costo del debug dell'interfaccia tra la sorgente di ingresso del segnale audio e l'amplificatore.

L'amplificatore del suono sul chip del microcontroller è caratterizzato da quanto segue:

• la frequenza del segnale PWM (campionamento) deve essere almeno 10 volte superiore alla frequenza massima del segnale di ingresso in modo che possa essere adeguatamente ricostruita all'uscita dell'amplificatore;

• alta risoluzione del processo di controllo della larghezza degli impulsi PWM per impedire la distorsione della quantizzazione del segnale di uscita;

• la presenza di un metodo di campionamento del segnale analogico in ingresso;

• core ad alta velocità per l'elaborazione digitale e la gestione dei dati;

• un'interfaccia per trasmettere il segnale PWM a transistor MOSFET esterni.

Un esempio di un dispositivo in grado di soddisfare tutti questi requisiti è un microcontrollore a 32 bit del tipo SiM3U1xx con alta velocità dispositivi periferici azienda produttrice di input / output Silicon Labs (Austin, Texas, USA). Questi microcontrollori sono particolarmente adatti per applicazioni non tradizionali come gli amplificatori di potenza di Classe D che si collegano direttamente agli altoparlanti. Gli unici componenti esterni necessari per un amplificatore audio sul SiM3U1xx sono uno starter e diversi condensatori. Dispositivi I / O ha anche un limite di corrente programmabile, consente di utilizzare fino a 16 livelli di volume senza la necessità di firmware per scalare i dati audio, risparmiando tempo e memoria. Poiché sono alimentati da una tensione separata dal resto del dispositivo, possono essere collegati a transistor MOS ad alta potenza esterni.

I dispositivi SiM3U1xx includono anche un ricetrasmettitore audio USB compatibile con l'interfaccia audio USB, una memoria flash da 256 KB incorporata, due convertitori analogico-digitale 12-bit che digitalizzano lo streaming audio da un PC o un lettore musicale portatile. Lo schema a blocchi del dispositivo è mostrato in figura. Può essere usato come amplificatore in macchina.