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Class D Audio Amplifier Basics
By Jun Honda & Jonathan Adams
Traduzido e interpretado por Jumosan Santos – Técnico em Eletrônica
O que é um amplificador de áudio Classe D - Teoria de Operação
Um amplificador de áudio Classe D é basicamente um amplificador de comutação ou amplificador PWM. Existem várias classes diferentes de amplificadores. O presente texto dá uma olhada nas definições das principais classificações.
Um amplificador de áudio Classe D é basicamente um comutador amplificador ou amplificador PWM. Há um número de diferentes classes de amplificadores. Tomaremos uma olhada nas definições para as principais classificações como uma introdução:
Classe A - Em um amplificador Classe A; os dispositivos de saída conduzem continuamente por todo o ciclo, ou em outras palavras, sempre há corrente de polarização fluindo nos dispositivos de saída. Esta topologia tem a menor distorção e é a mais linear, mas ao mesmo tempo é a menos eficiente em cerca de 20%. O design normalmente não é complementar aos dispositivos de saída do lado alto e baixo.
Classe B - Este tipo de amplificador opera de maneira oposta aos amplificadores de Classe A. Os dispositivos de saída conduzem apenas pela metade do ciclo senoidal (um conduz na região positiva e outro conduz na região negativa), ou seja, se não houver sinal de entrada, não haverá fluxo de corrente nos dispositivos de saída. Esta classe de amplificador é obviamente mais eficiente do que a Classe A, em cerca de 50%, mas tem alguns problemas de linearidade no ponto de crossover, devido ao tempo que leva para desligar um dispositivo e ligar o outro.
Classe AB - Este tipo de amplificador é uma combinação dos dois tipos acima e atualmente é um dos tipos mais comuns de amplificador de potência existentes. Aqui, os dois dispositivos podem conduzir ao mesmo tempo, mas apenas uma pequena parte perto do ponto de cruzamento. Consequentemente, cada dispositivo conduz por mais de meio ciclo, mas menos do que o ciclo inteiro, de modo que a não linearidade inerente dos projetos de Classe B é superada, sem as ineficiências de um projeto de Classe A. A eficiência para amplificadores Classe AB é de cerca de 50%.
Classe D - Esta classe de amplificador é um amplificador de comutação ou PWM (Modulação por largura de pulso) conforme mencionado acima. Esta classe de amplificador é o foco principal desta abordagem. Neste tipo de amplificador, os interruptores estão totalmente ligados ou totalmente desligados, reduzindo significativamente as perdas de energia nos dispositivos de saída. Eficiências de 90 a 95% são possíveis! O sinal de áudio é usado para modular um sinal portador PWM que aciona os dispositivos de saída, com o último estágio sendo um filtro passa baixas para remover o sinal da portadora PWM de alta frequência.
A partir das classificações de amplificadores acima, as classes A; B e AB são chamadas de amplificadores lineares. Discutiremos as diferenças entre amplificadores Lineares e amplificadores Classe D na próxima seção. O diagrama de blocos de um amplificador linear é mostrado abaixo.
Em um amplificador linear, os sinais sempre permanecem no domínio analógico e os transistores de saída atuam como reguladores lineares para modular a tensão de saída. Isso resulta em uma queda de tensão nos dispositivos de saída, o que reduz a eficiência.
Em relação aos amplificadores da classe D, esses assumem muitas diferentes formas, alguns podem ter entradas digitais e alguns podem ter entradas analógicas. Aqui vamos nos concentrar no tipo que possuem entradas analógicas. O diagrama em blocos de um amplificador classe D de entrada analógica não linear é mostrado abaixo na Fig 1.
A Fig 1 acima mostra o diagrama em blocos básico para um amplificador Half Bridge (Meia ponte) Classe D, com as formas de onda em cada estágio. Este circuito usa feedback (realimentação) da saída da meia ponte para ajudar a compensar as variações nas tensões da alimentação. Então, como funciona um amplificador Classe D?
Um amplificador Classe D funciona da mesma maneira que uma fonte de alimentação PWM (mostraremos a analogia mais tarde). Vamos começar supondo que o sinal de entrada é um sinal de nível de linha de áudio padrão. Este sinal de nível de linha de áudio é senoidal com uma frequência variando de 20 Hz a 20 kHz normalmente. Este sinal é comparado com uma alta frequência triangular ou forma de onda dente de serra para criar o sinal PWM (Modulação por largura de Pulso) como visto na figura 2a abaixo. Este sinal PWM é então usado para excitar o estágio de potência, criando o sinal chaveado e amplificado para então finalmente ser lançado a um filtro passa baixas para assim filtrar a frequência portadora PWM e recuperar o sinal de áudio senoidal (também visto na fig 2b).
Nota do tradutor: O fato do (PSRR) de um amplificador Classe D ser de 0dB implica que ele transferirá para o sinal de áudio anomalias que a fonte apresentar.
Nota do tradutor: PSRR ( Power supply rejection ratio) é a sigla para um termo amplamente usado para descrever a capacidade de um circuito eletrônico de suprimir quaisquer variações da fonte de alimentação em seu sinal de saída.
Fluxo de energia - Em amplificadores lineares, o fluxo de energia é sempre da alimentação para a carga, e em amplificadores Full bridge Classe D isso também é verdade. Entretanto, num amplificador classe D de meia ponte, é diferente, pois o fluxo de energia pode ser bidirecional, o que leva ao fenômeno de "retorno de energia para a fonte", fazendo com que os capacitores da fonte sejam carregados com o fluxo de energia de retorno da carga. Isso ocorre principalmente nas baixas frequências de áudio, ou seja, abaixo de 100 Hz.
Analogia com um conversor Buck síncrono
Uma analogia simples pode ser feita entre um amplificador Classe D e um conversor Buck síncrono. As topologias são essencialmente as mesmas que podem ser vistas abaixo na fig 4.
A principal diferença entre os dois circuitos é que o sinal de referência para o conversor buck síncrono é um sinal de mudança lenta do circuito de feedback ( uma tensão fixa), no caso do amplificador Classe D, o sinal de referência é um sinal de áudio que é mudando continuamente. Isso significa que o ciclo de trabalho é relativamente fixo no conversor Synch Buck, enquanto deve mudar continuamente no amplificador Classe D com imposição média de 50%. No conversor synch buck, a direção da corrente de carga é sempre em direção à carga, mas na Classe D a corrente flui em ambas as direções.
A diferença final está na maneira como os MOSFETs são otimizados. O conversor Synch buck é otimizado de forma diferente para os MOSFETs de lado alto e baixo, com RDS (ativado) mais baixo para tarefas mais longas e Qg[quantidade de carga para aplicar a tensão (de zero à tensão designada) ao Gate] baixo para tarefas curtas. O amplificador Classe D tem a mesma otimização para ambos os MOSFETs, com o mesmo RDS (ligado) para o lado alto e baixo.
Nota do tradutor: (Conversor Buck é um conversor CC/CC que diminui a tensão de sua entrada para sua saída. É inversamente similar ao conversor Boost (este aumenta a tensão) e é um tipo de fonte chaveada que normalmente contém pelo menos dois semicondutores e pelo menos um elemento de armazenamento de energia, um capacitor, indutor ou os dois combinados).
Perdas de energia nos MOSFETs
As perdas nos chaveadores de alimentação são muito diferentes entre amplificadores lineares e amplificadores Classe D. Primeiro, vamos examinar as perdas em um amplificador linear Classe AB. As perdas podem ser definidas como:
Onde K é a relação entre Vbus e tensão de saída. Isso pode então ser simplificado para a seguinte equação para as perdas do semicondutor do amplificador linear:
Observe que a perda de energia não está relacionada aos parâmetros do dispositivo de saída.
Fig 5) abaixo mostra a perda de potência vs K.
Agora vamos dar uma olhada nas perdas de um amplificador Classe D. A perda total de energia nos dispositivos de saída para um amplificador Classe D é dada por:
Psw são as perdas de comutação e são dadas pela equação:
Pcond são as perdas de condução e são dadas pela equação:
Pgd são as perdas nos Gates dos chaveadores e são dadas pela equação:
A Tabela 1 mostra o resumo da comparação.
Degradações do sinal
Um estágio de amplificação de Classe D ideal não tem distorção e nenhuma geração de ruído na banda audível, além de fornecer 100% de eficiência. No entanto, como mostrado na Fig. 7, amplificadores de Classe D práticos têm imperfeições que geram distorções e ruídos. As imperfeições são causadas pela forma de onda de comutação distorcida gerada pelo estágio Classe D. As causas são:
- Não linearidade no sinal PWM de modulador para fase de comutação devido a resolução e/ou instabilidade no tempo
- Erros de temporização adicionados pelos Gates dos drivers, como tempo morto, ton / toff e tr / tf
- Características indesejadas nos dispositivos de chaveamento, como resistência ON finita, velocidade de chaveamento finita ou características do diodo de recuperação interno.
- Componentes parasitas que causam zumbido em fronteiras transitórias
- Flutuações de tensão da fonte de alimentação devidas à sua impedância de saída finita e reativa energia fluindo através do barramento DC
- Não linearidade do filtro de saída LPF.
Em geral, erro de temporização de comutação em um sinal de porta é a principal causa da não linearidade. O erro de tempo devido ao tempo morto em particular tem a contribuição mais significativa da não linearidade em um estágio de Classe D. Uma pequena porção de tempo morto em dezenas de nano segundos pode facilmente gerar mais de 1% de THD (Total Harmônico Distorção). O tempo de comutação preciso é sempre uma preocupação primária.
Vamos dar uma olhada em como o tempo morto afeta a não linearidade.
O modo de operação em um estágio de saída Classe D pode ser categorizado em três regiões diferentes com base em como a forma de onda de saída segue o tempo de entrada. Nessas três regiões de operação diferentes, a forma de onda de saída segue bordas diferentes nos sinais de entrada do lado alto e do lado baixo. Vamos examinar a primeira região de operação onde a corrente de saída flui do estágio Classe D para a carga quando a quantidade de corrente é maior do que a corrente de ondulação do indutor. No instante do desligamento do lado alto e antes do desligamento do lado baixo, o nó de saída é conduzido para o barramento CC negativo. Esta ação é causada automaticamente pela corrente de comutação do indutor de demodulação, independentemente do tempo de ativação do lado inferior. Portanto, o tempo na forma de onda de saída não é influenciado pelo tempo morto inserido na borda de ativação do lado baixo e sempre segue o tempo de entrada do lado alto. Consequentemente, a forma de onda PWM é encurtada apenas pelo tempo morto inserido no sinal da porta lateral alta, resultando em um ganho de tensão ligeiramente inferior, conforme esperado do ciclo de trabalho de entrada.
Uma situação semelhante acontece com a região de operação negativa onde a corrente de saída flui da carga para o estágio Classe D. A quantidade de corrente é maior do que a corrente de ondulação do indutor. Nesse caso, o tempo na forma de onda de saída não é influenciado pelo tempo morto inserido na borda de ativação do lado alto e sempre segue o tempo de entrada do lado baixo. Consequentemente, a
No entanto, um tempo morto estreito pode ser muito arriscado na produção em massa. Porque uma vez que ambos os MOSFETs do lado alto e baixo são ligados simultaneamente, a tensão do barramento CC será curtocircuitada pelos MOSFETs. Uma grande quantidade de disparos através da corrente começa a fluir, o que resultará na destruição do dispositivo. Deve-se notar que o tempo morto efetivo pode variar de unidade para unidade, variando com os valores dos componentes e da temperatura da matriz. A Fig. 10 mostra a relação entre a duração do tempo morto e a quantidade de carga direta. É extremamente importante para um projeto confiável de um amplificador Classe D garantir que o tempo morto seja sempre positivo e nunca negativo para evitar que os MOSFETs entrem na condição de passagem.
Outra causa marcante de degradação em amplificadores em Classe D é o retorno de energia da carga, que pode ser visto quando a topologia de meia ponte está alimentando uma saída de baixa frequência para a carga. Sempre tenha em mente que o ganho de um estágio de amplificador Classe D é diretamente proporcional à tensão de alimentação. Portanto, a flutuação da alimentação cria distorção. Como a energia que flui no estágio de comutação em Classe D é bidirecional, há um período em que o amplificador Classe D realimenta a energia para a fonte de alimentação. A maior parte da energia que flui de volta para a fonte vem da energia armazenada no indutor na saída do LPF.
Normalmente, a fonte de alimentação não tem como absorver a energia que volta da carga. Consequentemente, a tensão da alimentação aumenta, criando flutuações na mesma. A injeção dessa energia não ocorre em topologias de ponte completa porque a energia devolvida de volta para a fonte de alimentação de um lado da extremidade do chaveamento será consumida na outra extremidade do chaveamento.
Nota do tradutor:
Observando a Fig 11.1, nota-se que a energia de retorno provoca consideráveis solavancos nas linhas de alimentação da configuração em meia ponte. Esses solavancos comprometem a estabilidade da fonte de alimentação interferindo assim na construção do sinal de áudio sendo percebido como DISTORÇÃO!
EMI (interferência eletromagnética) no design de amplificador Classe D é problemática como em outras aplicações de comutação. Uma das principais fontes de EMI vem da carga de recuperação reversa do diodo do corpo do MOSFET fluindo do trilho superior para o inferior, semelhante à corrente direta. Durante o tempo morto inserido para evitar disparar através da corrente, a corrente do indutor na saída LPF liga o diodo do corpo. Na próxima fase, quando o outro lado do MOSFET começa a ligar no final do tempo morto, o diodo corporal permanece em um estado de condução, a menos que a portadora minoritária armazenada seja totalmente descarregada. Essa corrente de recuperação reversa tende a ter uma forma pontiaguda e aguda e leva a zumbidos indesejados de indutâncias dispersas nos traços de PCB e no pacote. Portanto, o layout do PCB é crucial tanto para a robustez do projeto quanto para a redução de EMI.
Conclusão
Os amplificadores Classe D altamente eficientes agora oferecem desempenhos semelhantes aos do amplificador Classe AB convencional se os componentes principais forem selecionados cuidadosamente e o layout levar em consideração o impacto sutil, mas significativo, dos componentes parasitas. Inovações constantes em tecnologias de semicondutores estão aumentando o uso de amplificadores Classe D devido a melhorias em maior eficiência, maior densidade de potência e melhor desempenho de áudio.
