Amplificadores de audio clase D

Los amplificadores de audio clase D o amplificadores de conmutación son unos amplificadores electrónicos en el que el dispositivo de amplificación (transistores, por lo general son MOSFETs ) funcionan igual que los conmutadores electrónicos y los dispositivos de ganancia no son tan lineales como en otros amplificadores. La señal a amplificar es un tren de impulsos de amplitud constante, por lo que los dispositivos activos cambian rápidamente hacia adelante y hacia atrás entre un estado completamente conductor y no conductor.
Amplificadores de audio clase D

Amplificadores de audio clase D : Adición a su diseño de sonido.

Uno de mis primeros trabajos fue como ingeniero en el Empire Scientific Corp. en Garden City, Nueva York en 1972. Esta fue una empresa de audio de gama alta que hizo altavoces, platos y cartuchos fonográficos. Hemos tenido algunos discos de vinilo con tal increíble rango dinámico que se podía cerrar los ojos y visualizar la orquesta y la ubicación exacta de cada instrumento. Cuando se juega a través de dos amplificadores Crown DC-300  (canales izquierdo y derecho) que, aunque no lo crean, se utiliza como pre-amplificadores en una fase lineal del amplificador de potencia (Primero tuvimos la serie 700B y más tarde la serie II).

Los amplificadores de audio han recorrido un largo camino desde entonces. Los amplificadores de clase D se concibieron por primera vez en 1958 y por lo tanto se ha escrito sobre las diferentes arquitecturas que fueron citadas solo en 2016 que mejoran diferentes aspectos de su desempeño. Voy a compartir estas técnicas recientes con ustedes en este artículo.

Tales técnicas de mejora de diseño recientes son la fuente de alimentación, mejore del porcentaje de rechazo (PSRR), reducción de la distorsión baja, la interferencia electromagnética (EMI), mejora de la distorsión de intermodulación (IM), la reducción de la corriente de reposo, reducción de la distorsión armónica total (THD) y la conducción de transductores capacitivos en altavoces electrostáticos.

Etapa de potencia clase D

El elemento de transistor de potencia

Los amantes del sonido siempre decían de que el mejor sonido provenía de tubos de vacío. Hay escuelas de pensamiento que dicen del FET que están más estrechamente relacionados con el tipo de distorsión y sonido que producen los tubos de vacío en el audio de los BJT. Un informe del MIT afirma lo contrario. La controversia continúa como se ha hecho desde que el tubo de vacío comenzó a perder importancia en la mayoría de los diseños electrónicos.

Si nos fijamos en el elemento de potencia en un FET, tales como la conversión de energía de eficiencia (EPC), vemos que un buen sonido necesita una buena THD, un Factor de Amortiguamiento (DF) y una distorsión instantánea. La conversión de energía eficiente del FET en diseños de amplificadores de audio clase D proporcionan una excelente calidad de sonido debido a sus excelentes capacidades de conmutación debido a la distorsión de bucle abierto inferior que ayudan a disminuir las pérdidas totales y THD. Esto conduce a una reducción de la retroalimentación que a su vez reduce la distorsión Total-IM y DF y mejora la calidad del sonido. Todo esto en un amplio intervalo de potencia de salida que permite esencialmente un rendimiento con mejor rango dinámico en el ámbito de audio.

Amplificadores de potencia clase D, potencia más baja y menos disipación de energía.

Puesto que todas las etapas finales de potencia lineales que disipan energía en la clase A, B, AB y amplificadores D, que buscan la arquitectura que permitan una potencia más eficiente, de modo que se puedan emplear el funcionamiento de la batería, con un circuito o placa más pequeña para reducir tamaño y peso en un diseño de tipo portátil y el costo más bajo que permita la expansión en una variedad más amplia de aplicaciones en el mercado. La configuración de clase D es la que se destaca como el cumplimiento de todos estos requisitos ( Figuras 1 y 2 ).

amplificador de audio clase B etapa de potencia

Figura 1: Diagrama de fase de salida CMOS lineal (Cortesía de Analog Devices)

 Diagrama de un amplificador clase D

Figura 2: Diagrama básico de bucle abierto del amplificador de clase D que incluye una arquitectura de diseño de filtros casi sin pérdida en la que el único elemento intencional disipativo es el altavoz (Cortesía de Analog Devices)

Entonces, ¿cómo funciona un amplificador de clase D?

International Rectifier (ahora parte de Infineon) explicó esta topología muy bien en una nota de aplicación del 2005.

El amplificador de clase D es simplemente un amplificador de conmutación o amplificador de modulación de ancho de pulso (PWM) a diferencia de la clase A, B y AB, que son todas en arquitecturas de amplificación lineal. La figura 3 muestra un diagrama de bloques básico de los amplificadores de audio clase D.

Diagrama de bloques

Figura 3: Diagrama de bloques detallado del amplificador de audio clase D (Imagen cortesía de Infineon)

El amplificador de clase D opera esencialmente similar a una fuente de alimentación PWM; sus topologías son esencialmente idénticos en funcionamiento ( Figura 5 ). La figura 4 muestra las formas de onda de un amplificador de clase D en acción con sus formas de onda mostradas.

forma de onda clase d

Figura 4: Formas de onda mostradas aquí en una operación del amplificador clase D (Imagen cortesía de Infineon)

Buck y amplificador clase D

Figura 5: La gran similitud entre el convertidor de potencia Buck y el amplificador de clase D (Imagen cortesía de Infineon)

Eliminación del filtro paso bajo externo

Maxim Integrated ha empleado la modulación sin filtro en sus diseños de amplificadores de audio clase D ( Figura 6 ).

Amplificador max9000

Figura 6: Diagrama del MAX9000 sin filtro en un modulador de clase D (Imagen cortesía de Maxim Integrated)

Siempre hay un compromiso en la mejora de la arquitectura de los parámetros de diseño. En este caso se consigue un menor ruido y mejora el consumo en los amplificadores de audio clase D.

Fuente: Del original de:  Enero -2017

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Mikroe

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