Semplifica la progettazione di circuiti audio a bassa potenza portatili con gli amplificatori in classe D

Di Art Pini

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Questo articolo spiega la differenza tra i vari tipi di amplificatori audio, illustra dettagliatamente la teoria del funzionamento degli amplificatori in classe D e mostra come aumentano l'efficienza e riducono i requisiti di potenza e le dimensioni.

I circuiti audio per dispositivi IoT palmari e portatili richiedono caratteristiche essenziali di bassa potenza, dimensioni ridotte e bassa dissipazione del calore. Tuttavia, gli amplificatori audio sono spesso generatori di calore inefficienti che richiedono dissipatori voluminosi. Per ridurre le dimensioni e i requisiti di potenza, gli amplificatori digitali o in classe D offrono una buona soluzione.

Quello che l'alimentatore a commutazione ha significato per le fonti di alimentazione, l'amplificatore in classe D lo porta alla riproduzione audio. Con gli amplificatori in classe D, gli ingressi audio sono codificati come segnali PWM (a modulazione della larghezza di impulso) che pilotano i dispositivi di alimentazione tra i livelli On e Off e la potenza viene dissipata solo durante le transizioni.

Questi amplificatori "digitali" aumentano notevolmente l'efficienza degli amplificatori audio, portando a una minore dissipazione del calore e a una riduzione delle dimensioni fisiche. Inoltre, i recenti sviluppi hanno cambiato gli schemi di modulazione eliminando i filtri passa-basso sulle uscite, con ulteriore riduzione delle dimensioni e della complessità.

Amplificatori di potenza analogici

Lo sviluppo degli amplificatori di potenza analogici si è concentrato contemporaneamente sul miglioramento della loro fedeltà e della loro efficienza. Gli amplificatori sono classificati con le lettere A, B, AB o C in base al loro punto operativo o di polarizzazione e alla percentuale del ciclo del segnale di ingresso su cui conducono (Figura 1).

Schema della conduzione dei segnali e della polarizzazione operativa degli amplificatori analogici in classe A, B, AB e C

Figura 1: Conduzione dei segnali e polarizzazione operativa degli amplificatori analogici in classe A, B, AB e C. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Gli amplificatori in classe A (in alto a sinistra) conducono durante l'intero ciclo del segnale di ingresso. Sono polarizzati sul punto medio delle caratteristiche operative di ingresso-uscita. La fedeltà del segnale è eccellente, ma poiché l'amplificatore è sempre acceso, anche senza segnale di ingresso, l'efficienza tende a essere bassa.

Gli amplificatori in classe B (in basso a sinistra) hanno il compito di migliorare l'efficienza polarizzandosi al punto di soglia. L'amplificatore conduce solo per metà del ciclo di ingresso. In genere il circuito è configurato in una topologia push-pull per amplificare sia le transizioni di ingresso positive sia quelle negative. In assenza di segnale, l'amplificatore non conduce, quindi è più efficiente. Questo vantaggio è controbilanciato da una perdita di fedeltà dovuta alla distorsione di crossover che può verificarsi nei punti di transizione della polarità di ingresso.

Il problema della distorsione di crossover può essere risolto spostando leggermente più in alto il punto di polarizzazione dell'amplificatore. Questo ha portato all'amplificatore in classe AB (in alto a destra). Questo tipo di amplificatore viene solitamente utilizzato anche in una configurazione push-pull. L'amplificatore in classe AB è il tipo più comune per le applicazioni di alimentazione audio.

L'amplificatore in classe C (in basso a destra) è progettato per condurre su una porzione molto piccola del ciclo di ingresso. È caratterizzato da un'efficienza elevata, ma da una scarsa fedeltà. Questi amplificatori vengono applicati nei progetti di potenza RF in cui il carico in uscita è un circuito risonante che recupera la forma d'onda corretta.

Le strategie per migliorare l'efficienza di questi amplificatori analogici sono mirate a ridurre il più possibile la loro fase di conduzione, come mostrato con l'amplificatore in classe C.

Caratteristiche di base della Classe D

L'amplificatore in classe D ha un approccio diverso e funziona piuttosto come un alimentatore a commutazione (Figura 2).

Schema dell'amplificatore in classe D che converte l'ingresso analogico in una forma d'onda PWM

Figura 2: Un amplificatore in classe D converte l'ingresso analogico in una forma d'onda PWM per pilotare gli interruttori FET su completamente acceso o spento. Il filtro passa-basso in uscita recupera la forma d'onda analogica sul diffusore. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

L'amplificatore in classe D converte il segnale analogico in ingresso in una forma d'onda PWM (modulata a larghezza di impulso). La forma d'onda PWM pilota lo stadio di uscita a FET push-pull completamente acceso o spento per ogni impulso. Quando uno dei FET è acceso, la corrente che lo attraversa è alta, ma la tensione è molto bassa, quindi la potenza viene dissipata solo durante le brevi transizioni tra lo stato acceso e spento. Analogamente, quando il FET è spento, la tensione che lo attraversa è alta, ma la corrente è quasi zero. Anche in questo caso, non c'è dissipazione di potenza se non nelle transizioni di stato.

La conversione della forma d'onda analogica in una forma d'onda PWM viene eseguita applicando la forma d'onda analogica a un ingresso di un comparatore, mentre una forma d'onda triangolare o di rampa, alla frequenza di commutazione desiderata, viene applicata all'altro ingresso (Figura 3). La traccia superiore rappresenta la forma d'onda di ingresso, in questo caso un'onda sinusoidale a 10 kHz, che viene applicata a un ingresso di un comparatore. La traccia centrale è un'onda triangolare a 250 kHz che viene applicata all'altro ingresso del comparatore. L'uscita del comparatore è la forma d'onda PWM indicata nella traccia inferiore. L'ampiezza dell'impulso varia in base all'ampiezza del segnale di ingresso.

Immagine della creazione di un segnale PWM dall'ingresso analogico con il segnale di ingresso e una funzione triangolo o rampa

Figura 3: La creazione di un segnale PWM dall'ingresso analogico richiede il segnale di ingresso (in alto) e una funzione triangolo o rampa (al centro). Entrambi vengono poi applicati agli ingressi di un comparatore per produrre un segnale PWM con ampiezze di impulso che variano in base all'ampiezza del segnale di ingresso (in basso). (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

L'uscita dello stadio di potenza push-pull del FET è anche un segnale PWM. Viene applicato a un semplice filtro passa-basso induttore-condensatore (L-C) per recuperare la forma d'onda analogica amplificata. La frequenza dell'onda triangolare deve essere molto più alta della frequenza d'angolo del filtro passa-basso.

Un'alternativa alla PWM è la modulazione di densità di impulso (PDM). La PDM utilizza una serie di impulsi rettangolari di breve durata, la cui densità varia in funzione dell'ampiezza dell'ingresso analogico. Viene generata utilizzando la modulazione sigma-delta.

Il guadagno dell'amplificatore in classe D è influenzato dalle tensioni del bus. Anche se ha un rapporto scadente di reiezione dell'alimentazione, viene corretto utilizzando la retroazione attorno all'amplificatore. Questo è mostrato nel diagramma a blocchi della Figura 2, dove la retroazione viene presa dall'ingresso del filtro.

Il maggiore vantaggio dell'amplificatore in classe D è la sua alta efficienza, pari a circa il 90%. Questo valore è di gran lunga migliore del suo principale rivale analogico, l'amplificatore in classe AB, che ha un'efficienza tra il 50 e il 70%.

L'alta efficienza consente dimensioni fisiche ridotte e la possibilità di eliminare dissipatori di calore e ventole di raffreddamento. Applicata nei dispositivi portatili, una maggiore efficienza si traduce in una durata superiore della batteria. L'efficienza varia direttamente con i livelli della potenza in uscita e diminuisce con la diminuzione della potenza.

Topologie degli amplificatori in classe D

Per gli amplificatori in classe D vengono usate in genere due topologie, la più semplice delle quali è il circuito a semiponte mostrato nella Figura 4.

Schema di due topologie comunemente utilizzate per la Classe D: configurazione a semiponte e a ponte intero

Figura 4: Le due topologie comunemente utilizzate per la Classe D sono la configurazione a semiponte e quella a ponte intero. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

La topologia a ponte intero, denominata configurazione a ponte (BTL), offre il vantaggio di una maggiore potenza in uscita per le stesse tensioni di alimentazione della configurazione a semiponte. Il semiponte ha l'ingresso del filtro che oscilla tra i rail di alimentazione positivi o negativi, mentre il circuito BTL ha il carico tra i rail positivi e negativi, raddoppiando contemporaneamente la tensione applicata al carico, e quindi quadruplicando la potenza di uscita. Il funzionamento BTL consente anche di usare una singola alimentazione unipolare.

Amplificatori in classe D senza filtro

Nel caso del sistema di commutazione tradizionale in classe D, chiamato modulazione AD, il ciclo di lavoro modula la forma d'onda rettangolare in modo che il suo valore medio corrisponda alla tensione del segnale analogico in ingresso. Le uscite BTL si completano a vicenda. Il contenuto della commutazione in modalità comune nella sua uscita non è significativo. Tuttavia, è presente una tensione c.c. di modo comune dovuta al valore medio della commutazione PWM. Dato che questo livello di tensione c.c. viene applicato su entrambi i lati del carico, non aumenta la dissipazione di potenza che lo attraversa.

In assenza di ingresso, l'amplificatore commuta alla sua frequenza PWM nominale con un ciclo di lavoro del 50% applicato al carico. Questo causa flussi di corrente e dissipazione di potenza significativi nel carico. Il filtro L-C serve a ridurre la corrente a un "ripple" per migliorare l'efficienza. Più bassa è la corrente di ripple, migliore sarà l'efficienza dovuta alla ridotta dissipazione del carico e alle ridotte perdite di conduzione attraverso la RDSon dei FET in uscita.

Uno schema di modulazione alternativo, spesso chiamato BD o modulazione senza filtro, utilizza un sistema di commutazione che modula il ciclo di lavoro della differenza dei segnali di uscita in modo che il suo valore medio corrisponda al segnale analogico in ingresso. Le uscite BTL sono in fase l'una con l'altra quando sono inattive, non complementari. Questo porta a una differenza di tensione zero sul carico, riducendo al minimo il consumo energetico di quiescenza senza l'uso di un filtro. La modulazione BD ha un contenuto significativo in modalità comune nella sua uscita. Questo schema di modulazione si basa sull'induttanza intrinseca dell'altoparlante e sulla caratteristica del filtro passa banda dell'orecchio umano per recuperare il segnale audio.

Circuiti integrati dell'amplificatore in classe D

TPA3116D2DADR di Texas Instruments è un amplificatore stereo in classe D con un'efficienza >90% e supporta numerose configurazioni di potenza in uscita, compresi 2 canali a 50 W con un carico BTL di 4 Ω a 21 V. Altri modelli della famiglia supportano 2 canali a 30 W in 8 Ω a 24 V e 2 canali a 15 W in 8 Ω a 15 V. Solo il dispositivo con la potenza più alta richiede un dissipatore di calore.

I dispositivi supportano frequenze di commutazione fino a 1,2 MHz evitando frequenze AM per impedire interferenze. Tramite un singolo controllo di ingresso è possibile scegliere schemi di modulazione AD o BD. Sono inclusi circuiti integrati con autoprotezione da sovratensione, sottotensione, sovratemperatura, rilevamento c.c. e cortocircuito con segnalazione dell'errore. Quella illustrata è una configurazione tipica utilizzando lo strumento di simulazione TINA-TI di TI (Figura 5).

Immagine della simulazione dell'amplificatore stereo in classe D TPA3116D2DADR di Texas Instruments (fare clic per ingrandire)

Figura 5: Simulazione di un amplificatore stereo in classe D TPA3116D2DADR di TI con le forme d'onda in uscita non filtrate (VM3) e filtrate (VM1) per la modulazione BD. (Immagine per gentile concessione di Digi-Key Electronics)

Il circuito utilizza una singola alimentazione a 12 V e mostra un livello di potenza in uscita di 12,5 W in 4 Ω. L'oscilloscopio virtuale mostra l'uscita digitale non filtrata (VM3) e l'uscita filtrata (VM1).

TPA3126D2DAD di Texas Instruments è un prodotto con prestazioni superiori alla serie TPA3116D2. È compatibile a livello di pin con il vecchio circuito integrato e presenta un miglioramento importante che riduce del 70% la corrente di riposo grazie a uno schema di modulazione ibrida proprietario. Lo schema riduce la corrente di riposo a bassi livelli di potenza per estendere la durata della batteria.

Il funzionamento a bassa potenza richiede più attenzione nella progettazione degli amplificatori in classe D. Come ricordato in precedenza, l'efficienza è proporzionale al livello di potenza, e bassi livelli di potenza in genere significano minore efficienza. TPA2001D2PWPR di Texas Instruments è un amplificatore stereo da 1 W per canale che appartiene alla terza generazione della Classe D. Presenta una minore corrente di alimentazione, un minore rumore di fondo e una migliore efficienza. Progettato a partire dallo schema della modulazione senza filtro della Classe D, non richiede un filtro in uscita, facendo risparmiare al progettista i costi dei componenti e lo spazio su scheda. È in grado di erogare oltre 1 W per canale in 8 Ω utilizzando un'alimentazione a 5 V.

Come scheda di valutazione è disponibile un progetto di riferimento, TPA2001D2EVM, per la realizzazione di un amplificatore audio plug-and-play in classe D (Figura 6).

Schema dell'amplificatore stereo da 1 W per canale basato sull'amplificatore in classe D TPA2001D2

Figura 6: Amplificatore stereo da 1 W per canale basato sull'amplificatore in classe D TPA2001D2. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Utilizzando la topologia BTL, l'amplificatore è fondamentalmente autonomo e richiede solo pochi componenti esterni.

Conclusione

Gli amplificatori in classe D offrono basse perdite e un'efficienza molto elevata in un contenitore compatto per progetti di dispositivi portatili e alimentati a batteria. Grazie a circuiti integrati di serie, l'applicazione di questi amplificatori è rapida e semplice, e i recenti progressi hanno ridotto la necessità di filtri, rendendoli meno costosi e più compatti.

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Informazioni su questo autore

Art Pini

Arthur (Art) Pini è un autore che contribuisce ai contenuti di Digi-Key Electronics. Art ha conseguito una laurea in ingegneria elettrica presso il City College di New York e un master in ingegneria elettrotecnica presso la City University di New York. Ha oltre 50 anni di esperienza nell'elettronica e ha lavorato in ruoli chiave di ingegneria e marketing presso Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek e Nicolet Scientific. È interessato nella tecnologia di misurazione e ha una vasta esperienza con oscilloscopi, analizzatori di spettro, generatori di forme d'onda arbitrarie, digitalizzatori e contatori.

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