Funzionamento e applicazioni degli amplificatori di classe D.

In questo mondo moderno, l'obiettivo principale dell'amplificazione audio in un sistema audio è riprodurre e amplificare accuratamente i segnali di ingresso dati. E una delle sfide più grandi è avere un'elevata potenza di uscita con la minor quantità di perdita di potenza possibile. La tecnologia dell'amplificatore di classe D sta avendo un impatto crescente sul mondo del suono dal vivo offrendo alta potenza con dissipazione di potenza pari a zero e meno peso che mai. Al giorno d'oggi, i dispositivi musicali portatili stanno diventando più popolari con la crescente domanda di suoni esterni nei dispositivi musicali portatili.

L'amplificazione audio a volte viene eseguita con la tecnologia degli amplificatori a valvole, ma questi sono di dimensioni ingombranti e non sono adatti per sistemi audio elettronici portatili. Per la maggior parte delle esigenze di amplificazione audio, gli ingegneri scelgono di utilizzare i transistor in modalità lineare per creare un'uscita ridimensionata basata su un piccolo ingresso. Questo non è il miglior design per amplificatori audio perché i transistor in funzionamento lineare conducono continuamente, generano calore e consumano energia. Questa perdita di calore è il motivo principale per cui la modalità lineare non è ottimale per le applicazioni audio portatili a batteria. Ci sono molte classi di amplificatori audio A, B, AB, C, D, E e F. Sono classificati in due diverse modalità operative, lineare e switching.

Amplificatore di classe D.

Amplificatori di potenza in modalità lineare - Classe A, B, AB e di classe C sono tutti amplificatori in modalità lineare che hanno un output proporzionale al loro input. Gli amplificatori in modalità lineare non saturano, non si accendono o si spengono completamente. Poiché i transistor sono sempre in conduzione, viene generato calore e consuma continuamente energia. Questo è il motivo per cui gli amplificatori lineari hanno un'efficienza inferiore rispetto agli amplificatori a commutazione. Gli amplificatori a commutazione di classe D, E ed F sono amplificatori a commutazione. Hanno una maggiore efficienza, che teoricamente dovrebbe essere del 100%. Questo perché non vi è alcuna perdita di energia per la dissipazione del calore.

Cos'è un amplificatore di classe D?

L'amplificatore di classe D è un amplificatore a commutazione e quando è nello stato 'ON' condurrà corrente ma avrà una tensione quasi zero tra gli interruttori, quindi non viene dissipato calore a causa del consumo di energia. Quando è in modalità 'OFF', la tensione di alimentazione passerà attraverso i MOSFET , ma a causa dell'assenza di flusso di corrente, l'interruttore non consuma energia. L'amplificatore consumerà energia solo durante le transizioni on / off se non si tiene conto delle correnti di dispersione. Amplificatore in classe D costituito dalle seguenti fasi:

• Modulatore PMW
• Circuito di commutazione
• Filtro passa basso in uscita

Diagramma a blocchi dell'amplificatore di classe D.

Modulatore PMW

Abbiamo bisogno di un blocco di costruzione del circuito noto come comparatore. Un comparatore ha due ingressi, vale a dire l'ingresso A e l'ingresso B.Quando l'ingresso A ha una tensione superiore all'ingresso B, l'uscita del comparatore andrà alla sua massima tensione positiva (+ Vcc). Quando l'ingresso A ha una tensione inferiore all'ingresso B, l'uscita del comparatore andrà alla sua massima tensione negativa (-Vcc). La figura seguente mostra come funziona il comparatore in un amplificatore di classe D. Un ingresso (sia il terminale dell'ingresso A) viene fornito con il segnale da amplificare. L'altro ingresso (Ingresso B) è fornito con un'onda triangolare generata con precisione. Quando il segnale è istantaneamente più alto di livello rispetto all'onda triangolare, l'uscita diventa positiva. Quando il segnale è istantaneamente inferiore di livello rispetto all'onda triangolare, l'uscita diventa negativa. Il risultato è una catena di impulsi in cui l'ampiezza dell'impulso è proporzionale al livello del segnale istantaneo. Questo è noto come 'Modulazione di larghezza di impulso' o PWM .

Modulatore PMW

Circuito di commutazione

Anche se l'uscita del comparatore è una rappresentazione digitale del segnale audio in ingresso, non ha la potenza per guidare il carico (altoparlante). Il compito di questo circuito di commutazione è fornire un guadagno di potenza sufficiente, essenziale per un amplificatore. Il circuito di commutazione è generalmente progettato utilizzando MOSFET. È molto importante progettare che i circuiti di commutazione producano segnali che non si sovrappongono, altrimenti si incorre nel problema di cortocircuitare l'alimentazione direttamente a terra o se si utilizza un'alimentazione separata che mette in cortocircuito le forniture. Questo è noto come sparatoria, ma può essere evitato introducendo segnali di gate non sovrapposti ai MOSFET. Il tempo non sovrapposto è noto come tempo morto. Nella progettazione di questi segnali dobbiamo mantenere il tempo morto il più breve possibile per mantenere un segnale di uscita accurato a bassa distorsione, ma deve essere abbastanza lungo da mantenere entrambi i MOSFET in conduzione allo stesso tempo. Anche il tempo in cui i MOSFET sono in modalità lineare deve essere ridotto, il che contribuirà ad assicurare che i MOSFET funzionino in modo sincrono piuttosto che entrambi conducono contemporaneamente.

Per questa applicazione, è necessario utilizzare MOSFET di potenza a causa del guadagno di potenza nel progetto. Gli amplificatori di classe D sono utilizzati per la loro alta efficienza, ma i MOSFET hanno un diodo incorporato che è parassita e consentirà alla corrente di continuare a girare liberamente durante i tempi morti. Un diodo Schottky può essere aggiunto in parallelo al drain e alla sorgente del MOSFET per ridurre le perdite attraverso il MOSFET. Questo riduce le sue perdite perché il diodo Schottky è più veloce del diodo body del MOSFET assicurando che il diodo body non conduca durante il tempo morto. Per ridurre le perdite dovute all'alta frequenza è pratico e necessario un diodo Schottky in parallelo al MOSFET. Questo Schottky assicura che la tensione attraverso i MOSFET prima di spegnersi. Il funzionamento complessivo dei MOSFET e dello stadio di uscita è analogo al funzionamento di un sincrono Convertitore buck . Le forme d'onda di ingresso e uscita del circuito di commutazione sono mostrate nella figura seguente.

Circuito di commutazione

Filtro passa basso in uscita

Lo stadio finale di un amplificatore di classe D è il filtro di uscita che attenua e rimuove le armoniche della frequenza del segnale di commutazione. Questo può essere fatto con una disposizione comune di filtri passa-basso, ma la più comune è una combinazione di induttore e condensatore. Si desidera un secondo filtro di ordine in modo da avere un roll-off di -40dB / decadi. La gamma delle frequenze di taglio è compresa tra 20 kHz e circa 50 kHz a causa del fatto che gli esseri umani non possono sentire nulla al di sopra dei 20 kHz. La figura seguente mostra il filtro Butterworth di secondo ordine. Il motivo principale per cui scegliamo un filtro Butterworth è che richiede il minor numero di componenti e ha una risposta piatta con una frequenza di taglio netta.

Filtro passa basso in uscita

Applicazioni dell'amplificatore di classe D.

È più adatto per dispositivi portatili perché non contiene alcuna disposizione aggiuntiva del dissipatore di calore. Così facile da trasportare. L'amplificatore di classe D ad alta potenza è diventato uno standard in molte applicazioni elettroniche di consumo come

• Televisori e sistemi home theater.
• Elettronica di consumo ad alto volume
• Amplificatori per cuffie
• Tecnologia mobile
• Settore automobilistico

Quindi, si tratta di funzionamento e applicazioni degli amplificatori di classe D. Ci auguriamo che tu abbia una migliore comprensione di questo concetto. Inoltre, qualsiasi domanda riguardante questo concetto o per implementare qualsiasi progetti elettrici ed elettronici , per favore dai il tuo feedback commentando nella sezione commenti qui sotto. Ecco una domanda per te, Quali sono le applicazioni dell'amplificatore in classe D?