Amplificador clase D

Un amplificador de clase D o amplificador de conmutación es un amplificador electrónico en el que los dispositivos amplificadores (transistores, normalmente MOSFET) funcionan como interruptores electrónicos, y no como ganancia lineal. dispositivos como en otros amplificadores. Operan cambiando rápidamente entre los rieles de suministro, utilizando modulación de ancho de pulso, modulación de densidad de pulso o técnicas relacionadas para producir una salida de tren de pulso. Se puede utilizar un filtro de paso bajo simple para atenuar su contenido de alta frecuencia y proporcionar corriente y voltaje de salida analógica. Se disipa poca energía en los transistores amplificadores porque siempre están completamente encendidos o completamente apagados, por lo que 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 , tenía una potencia de salida de sólo 2,5 vatios. El Sinclair X-20 de 1966 producía 20 vatios, pero adolecía de las inconsistencias y limitaciones de los transistores de unión bipolar basados en germanio disponibles en ese momento. Como resultado, estos primeros amplificadores de clase D resultaron poco prácticos y no tuvieron éxito. Los amplificadores prácticos de clase D fueron posibles gracias al 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 que emplea MOSFET de potencia y una fuente de alimentación de modo conmutado. Posteriormente, entre 1979 y 1985, se produjeron rápidos avances en la tecnología MOSFET. La disponibilidad de MOSFET de conmutación rápida y de bajo costo llevó al éxito de los amplificadores de Clase D a mediados de la década de 1980. Tripath lanzó el primer circuito integrado basado en un amplificador de clase D en 1996 y tuvo un uso generalizado.

Funcionamiento básico

Los amplificadores de clase D funcionan generando un tren de pulsos rectangulares de amplitud fija pero con ancho y separación variables. Esta modulación representa las variaciones de amplitud de la señal de entrada de audio analógico. En algunas implementaciones, los pulsos se sincronizan con una señal de audio digital entrante, eliminando la necesidad de convertir la señal a analógica. La salida del modulador se utiliza luego para encender y apagar alternativamente los transistores de salida. Dado que los transistores están completamente encendidos o completamente apagados, disipan muy poca energía. Un simple filtro de paso bajo que consta de un inductor y un condensador proporciona un camino para las bajas frecuencias de la señal de audio, dejando atrás los pulsos de alta frecuencia.

La estructura de una etapa de potencia de clase D es comparable a la de un convertidor reductor rectificado sincrónicamente, un tipo de fuente de alimentación de modo conmutado no aislado (SMPS). Mientras que los convertidores reductores generalmente funcionan como reguladores de voltaje, entregando un voltaje de CC constante a una carga variable y solo pueden generar corriente, un amplificador de clase D entrega un voltaje en constante cambio a una carga fija. 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.

La eficiencia energética teórica de los amplificadores de clase D es del 100%. Es decir, toda la energía que se le suministra se entrega a la carga y ninguna se convierte en calor. Esto se debe a que un interruptor ideal en su estado encendido no encontraría resistencia y conduciría toda la corriente sin caída de voltaje a través de él, por lo tanto, no se disiparía energía en forma de 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 energía. Los MOSFET de potencia del mundo real no son interruptores ideales, pero eficiencias prácticas superiores al 90% son comunes para los amplificadores de clase D. Por el contrario, los amplificadores lineales de clase AB siempre funcionan con corriente fluyendo y voltaje a través de 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 al menos parcialmente encendidos) tienen una eficiencia máxima teórica del 50 % y algunos diseños tienen eficiencias inferiores al 20 %.

Modulación de señal

La forma de onda de 2 niveles se deriva mediante 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.) o formas de modulación en tiempo discreto como la modulación delta-sigma.

Una forma sencilla 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. Luego, el comparador controla un controlador de puerta MOS que, a su vez, controla un par de transistores de conmutación de alta potencia (normalmente 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 reconstruye la información de audio que el altavoz puede utilizar.

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 cronometrar la longitud del pulso o implementan un equivalente digital del modulador basado en triángulo. En cualquier caso, la resolución temporal que ofrecen las frecuencias de reloj prácticas es sólo de unas pocas centésimas de período de conmutación, lo que no es suficiente para garantizar un bajo nivel de ruido. De hecho, la longitud del pulso se cuantifica, lo que produce una distorsión de cuantificación. En ambos casos, se aplica retroalimentación negativa dentro del dominio digital, formando un modelador de ruido que resulta en un ruido más bajo en el rango de frecuencia audible.

Problemas de diseño

Velocidad de cambio

Dos desafíos de diseño importantes para los circuitos controladores 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 pasan al modo de corte y ambos están apagados. Los tiempos muertos deben ser lo más cortos posible para mantener una señal de salida precisa y de baja distorsión, pero los tiempos muertos que son demasiado cortos hacen que el MOSFET que se está encendiendo comience a conducir antes de que el MOSFET que se está apagando haya dejado de conducir y los MOSFET de manera efectiva. cortan la fuente de alimentación de salida a través de sí mismos en una condición conocida como disparo.

El circuito de control también necesita cambiar los MOSFET 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 apagado y Conduce corriente con una resistencia significativa, creando calor significativo. Las fallas que permiten un funcionamiento excesivo o en modo demasiado lineal resultan en pérdidas excesivas y, a veces, fallas catastróficas de los MOSFET.

Con la modulación PWM de frecuencia fija, ya que el voltaje de salida (peak) se acerca a cualquiera de los carriles de suministro, el ancho del pulso puede ser tan estrecho como para desafiar la capacidad del circuito del conductor y el MOSFET para responder. Estos pulsos pueden ser tan cortos como unos pocos nanosegundos y pueden resultar en el tiro y la calefacción debido a la operación del modo lineal. Otras técnicas de modulación, como la modulación de densidad de pulso, pueden alcanzar mayores voltajes de salida de pico, así como mayor eficiencia en comparación con el PWM de frecuencia fija.

Diseño de suministro de energía

Los amplificadores de clase-D colocan un requisito adicional en su fuente de alimentación, a saber, que puede hundir energía que regresa de la carga. Las cargas reactivas (capacitivas o inductivas) almacenan energía durante parte de un ciclo y liberan algo de esta energía más adelante. Los amplificadores lineales disiparán esta energía, los amplificadores de clase-D la devuelven a la fuente de alimentación que de alguna manera debe ser capaz de almacenarla. Además, los amplificadores de clase D de medio puente transfieren energía de un carril de suministro (por ejemplo, el carril positivo) al otro (por ejemplo, el negativo) dependiendo del 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 raíles, o ser capaz de transferir esta energía de vuelta.

Selección de dispositivos activos

Los dispositivos activos en un amplificador Clase D sólo necesitan actuar como interruptores controlados, y no necesitan tener una respuesta particularmente lineal a la entrada de control. Los transistores bipolar o transistores de efectos de campo se utilizan generalmente. Los tubos de vacío se pueden utilizar como dispositivos de conmutación de potencia en amplificadores de audio de potencia Clase-D.

Control de errores

La salida real del amplificador no depende sólo del contenido de la señal PWM modulada. La tensión de alimentación modula directamente en amplitud la tensión 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. Para mitigar los mismos problemas en un amplificador sin retroalimentación es necesario abordar cada uno de ellos por separado en la fuente. La modulación de la fuente de alimentación se puede cancelar parcialmente midiendo el voltaje de suministro para ajustar la ganancia de la señal antes de calcular el PWM y la distorsión se puede reducir al cambiar más rápido. La impedancia de salida no se puede controlar más que mediante 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 en forma de 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 equipos de sistemas de refuerzo de sonido portátiles y amplificadores de bajos. Las etapas de salida, como las utilizadas en los generadores de impulsos, son ejemplos de amplificadores de clase D. Sin embargo, el término se aplica principalmente a amplificadores de potencia destinados a reproducir señales de audio con un ancho de banda muy por debajo de la frecuencia de conmutación.

Usos

• Teatro en una caja. Estos sistemas económicos de cine en casa están casi universalmente equipados con amplificadores clase-D. Debido a los modestos requisitos de rendimiento y el diseño directo, la conversión directa de audio digital a PWM sin retroalimentación es más común.
• Teléfonos móviles. El altavoz interno es impulsado por hasta 1 W. Clase D se utiliza para preservar la duración de la batería.
• Oír ayudas. El altavoz miniatura (conocido como receptor) es impulsado directamente por un amplificador de clase-D para maximizar la vida de la batería y puede proporcionar niveles de saturación de 130 dB SPL o más.
• Ponentes autorizados
• El audio de alta gama es generalmente conservador con respecto a la adopción de nuevas tecnologías, pero los amplificadores de clase-D han hecho una aparición
• Subwoofers activos
• Sistemas de refuerzo de sonido. Para la amplificación de potencia muy alta la pérdida de potencia de los amplificadores AB es inaceptable. Los amplificadores con varios kilovatios de potencia de salida están disponibles como amplificadores de potencia de clase-D. Los amplificadores de potencia de clase-D están disponibles que se clasifican en la salida total de 3000 W, pero pesan sólo 3.6 kg (8 lb).
• Amplificación del instrumento Bass
• Los amplificadores de frecuencia de radio pueden utilizar clases de clase D u otras clases de cambio para proporcionar una amplificación de potencia RF de alta eficiencia en sistemas de comunicaciones.