Amplificadores de audio Clase D

Ejemplo de amplificador de audio de 400W clase D

Comparación Eficiencia clase D y B

Disipación de potencia en la carga %

Efic

ienc

ia

%

Típica en clase B

Típica en clase D

Señal de audio

VO

Generador de señaltriangular de precisión

Lógica de control(triple estado)

Q

Q

Diagrama en bloques de un amplificador clase D

COMPARADOR

Linealidad de la señal triangular

Señal triangular

Recta de referencia

Señal triangular

Recta de referencia

Δ

Δ = máximo apartamiento

Δ

Δ

La alinealidad de la señal triangular es causa de distorsión en la señal de salida del amplificador

Etapa de salida puente

Señal de audio

Generador de señaltriangular de precisión

Lógica de control(triple estado)

Q

Q

Comparador

Ejemplo de amplificador de audio de 400W clase D

Disparo de los transistores de salida

Vs + 12V

Inversor y desplazador de nivel

Vss + 12V

Vss

VDD

Vs

12V

Q = 1 (Vss + 12V)Q = 0 (Vss)

DRIVER

DRIVER

Disparo de los transistores de salida

Vs + 12V

Vss + 12V

Vss

Vs = Vss

12V

Q = 1

Cargando el capacitor CapacitorBootstrap

DRIVER

DRIVER

Disparo de los transistores de salida

Vs + 12V

Vss + 12V

Vss

VDD

Vs = VDD

12V

Q = 0

DRIVER

DRIVER

Algunos “DRIVER” de los transistores de salida

Enclavador BAKER

Es mas crítico reducir el tiempo de apagado que el de encendido

Limita la corriente de compuerta

Tiempo muerto = Dead time

Habrá un compromiso entre el beneficio de aumentar el tiempo muerto y su efecto en la distorsión.

Señal de disparo del transistor superior

Señal de disparo del transistor inferior

Es imprescindible que un transistor de salida se apague antes de encender su complementario

FILTRO:−3dB @ 10KHz−40dB @ 100KHz

MUESTREO:100KHz

SEÑAL:1KHz

Distorsión en clase D relacionada con el TIEMPO MUERTO

Señal en la carga

Tiempo muerto en compuerta de los MOSFETs = 200ns Distorsión = 2,2%

Tiempo muerto en compuerta de los MOSFETs = 130ns Distorsión = 0,82%

Tiempo muerto en compuerta de los MOSFETs = 65ns Distorsión = 0,06%

Tiempo muerto en compuerta de los MOSFETs = 30ns Distorsión = 0,083%

El tiempo muerto a nivel compuerta no es suficiente para apagar un MOSFET antes de que encienda el otro, por lo que la distorsión aumenta debido a que ambos MOSFET conducen y predomina la segunda armónica.

Filtro (lazo)

Retardos

Realimentación en clase DNotar que en los amplificadores clase D la ganancia global depende de VDD y VSS. Para mitigar esto se requiere fuentes de alimentación muy estables y algo de realimentación.La realimentación también corregirá el corrimiento de la tensión de salida y la distorsión armónica.Ver nota técnica “The Class-D Amplifier” por W. Marshall Leach en la página de la materia

Realimentación en topología medio puente tomada antes del filtro

La frecuencia de corte de laganancia de lazo se debe ubicarpor encima del ancho de bandaglobal y por debajo de la deconmutación

Realimentación en topología puente tomada después del filtro

C3, R3 y R4 se ajustan paralograr un filtro pasabajo confrecuencia de corte igual ala de conmutación

Medición por simulación de la estabilidad de un amplificador clase D discreto

0123456789

10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849

100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 40000 60000

|T|

|T|

020406080

100120140160180200

100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 40000 60000 80000

fase

fase

Hz

Hz

Margen de Fase = 25°

Respuesta al escalón

Distorsión armónica en función de la frecuencia

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

100 200 500 1000 2000 5000 10000 20000 40000 60000

%

Hz

EficienciaLa energía entregada por la fuente a la carga resulta afectada por la disipación de calor en los dispositivos de conmutación.

La potencia total disipada en cada dispositivo puede evaluarse como:

La potencia disipada por conmutación:

La potencia disipada por conducción:

La potencia disipada por la compuerta:

Consultar las notas de aplicación:International Rectifier application note AN-1071 “Class D Audio Amplifier Basics“Toshiba ''MOSFET Gate Drive Circuit'' application note EN-20180726Texas Instruments SLUA618A “Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits”

Señal de audio

Tiempo muerto

VER: International Rectifier Application Note AN-1071 “Class D Audio Amplifier Basics"

Perturbación por efecto bombeado de fuente debido a Zo

Causas mas importantes de imperfección

Error en el ancho del pulsoError de cuantización

Inductancia no linealCapacitancia no linealResistencia en R y en C

RONVTH y QGDiodo parásito

Prototipo ensamblado de 40W - 2013/2