Introducere în amplificatoarele în clasă D

Orice tranzistor are 3 regiuni în care poate să se afle la un moment dat:
În regiunea de blocare, curentul prin tranzistor este zero. Indiferent de tensiunea la bornele lui, puterea disipată, ca produs U*I este aşadar zero.
În regiunea de saturaţie, tensiunea pe tranzistor este ideal zero, iar în realitate foarte mică. Puterea disipată este aşadar foarte mică.
În regiunea liniară, nici tensiunea şi nici curentul nu sînt aproape de zero. Puterea disipată este mare.

Să analizăm funcţionarea unui amplificator clasic, în clasă AB. Tensiunea pe difuzor variază, şi este dată dintr-o tensiune constantă dată de puntea redresoare şi condensatoarele de filtrare. La ieşire există între borna difuzorului şi borna de alimentare un tranzistor care dă tensiunea amplificată pe difuzor. Tranzistorul lucrează în regim liniar. Astfel curentul prin difuzor şi prin tranzistorul final este acelaşi. Deci tranzistorul final disipă o cantitate însemnată de putere, proporţională cu volumul. De-asta punem finalii pe radiator, şi de-asta randamentul amplificatorului în clasă AB se menţine la o valoare medie de 50 – 60%.

Ar fi interesant dacă am putea folosi un amplifcator la care tranzistorii finali lucrează doar în saturaţie şi blocare, fără să stea în regiunea liniară. Adică ori să fie tranzistorul NPN saturat şi cel PNP blocat, sau invers. Dar asta ar însemna să avem la ieşire doar -20V şi +20V, nu?

Difuzorul este un traductor electro-mecanic. Adică produce o mişcare la aplicarea curentului electric. La fel lucrează şi un motor. Presupunem că vrem să facem un motor să stea pe loc. Dacă îi dăm o secundă +20V şi o secundă -20V, el se va roti înainte, va frîna, se va roti înapoi, etc. Dacă micşorăm intervaul de la o secundă la cîteva milisecunde, motorul nu va apuca să-şi scimbe direcţia datorită inerţiei mecanice. Dacă mărim frecveţa mai mult, atunci inductanţa motorului va permite menţinerea unui curent constant prin motor, iar acesta va sta pe loc, consumul fiind aproape zero, dat doar de pierderile prin efect Joule şi curenţi turbionari. Dacă vrem să pornim motorul să meargă încet într-o direcţie, mărim doar factorul de umplere. Adică dacă timpul în care tranzistorul NPN este saturat este mai mare decît timpul în care tranzistorul PNP este saturat, atunci motorul se va roti. Tranzistorii nu necesită radiatoare prea mari, deoarece nu lucrează în regiunea liniară.

Revenind la amplificatorul nostru, putem menţine o tensiune pe difuzor dacă, la fel ca în cazul motorului, dăm nişte impulsuri de +20V şi -20V, cu factor de umplere variabil. Problema este că inductanţa difuzorului este mult mai mică decît a motorului, deci este nevoie de o inductanţă externă. Altfel armonicile superioare de la comutaţi ar ajunge la difuzor şi ar duce la pierderi suplimentare de putere.
Exact aşa funcţionează amplificatorul în clasă D. Generează impulsuri rapide, la frecvenţe de 100KHz…1MHz, care se filtrează printr-un filtru LC trece jos. Factorul de umplere al impulsurilor se schimbă în concordanţă cu semnalul audio. Astfel, înainte de filtru avem impulsuri modulate în lungime, iar după filtru avem…muzică. Frecvenţa de comutaţie este aleasă suficient de sus cît să nu afecteze calitatea sunetului. În această configuraţie singurele pierderi de putere apar din cauza neidealităţii componentelor. De exemplu, căderea de tensiune pe tranzistor sau rezistenţa echivalentă serie a bobinei. De aceea randamentul unui amplificator în clasă D atinge valori de peste 95%. Un model simplificat de amplificator clasă D este prezentat în figura de mai jos. (sursă: http://www.maxim-ic.com)

Sursa de semnal generează un semnal triunghiular de frecvenţă înaltă. Acest semnal intră împreună cu semnalul audio într-un comparator rapid. La ieşirea comparatorului obţinem impulsuri modulate în lăţime: PWM. După comparator urmează un driver de poartă cu rolul de a asigura comutaţia rapidă a tranzistoarelor finale. Tranzistoarele finale sînt de tip MOS, deoarece au anumite caracteristici care le fac preferate la amplificatoarele în comutaţie: cădere de tensiune mică, comutaţie rapidă, comandă în tensiune, şi nu în curent. Aici tranzistoarele sînt complementare, dar la amplificatoarele integrate se preferă ambele tranzistoare de tip N, deoarece au caracteristici mai bune decît cele de tip P. După tranzistoare urmează un filtru format din LF şi CF, după care se regăseşte semnalul audio, amplificat. În figura de mai jos putem vedea cele 3 forme de undă. Prima este semnalul triunghiular, a doua este semnalul audio, iar a treia, semnalul la ieşirea comparatorului.

Se observă cum factorul de umplere variază proporţional cu amplitudinea sinusoidei. Practic, unde amplitudinea sinusoidei este mare, ieşirea este mai mult timp la nivelul de + decît la -, şi invers.
În imagine am folosit o frecvenţă mult mai joasă a semnalului triunghiular pentru a prinde în aceeaşi fereastră a osciloscopului o perioadă a semnaului audio. În realitate acesta este mult mai rapid. Se tinde spre mărirea frecvenţei semnalului triunghiular, pentru a împinge armonicile rezultate în urma comutaţiei cît mai departe de banda audio. Astfel se simplifică şi filtrul trece jos de la ieşire, care trebuie să filtreze o frecvenţă mai înaltă.
Semnalul dreptunghiular la ieşirea tranzistoarelor MOS este permanent prezent. Chiar şi în lipsa semnalului, el există, dar factorul său de umplere este fix 50%. Acesta trebuie permanent filtrat. Din această cauză apare o pierdere permanentă de putere, independentă de volum. Asta face amplificatorul ineficient la nivele mici de putere. De aceea randamentului creşte odată cu creşterea puterii.
Generatorul PWM este de obicei mai complex, conţinînd printre altele şi cale de reacţie negativă. Tripath a introdus folosirea unui modulator delta-sigma de ordin superior pentru generarea PWM-ului, cu rezultate foarte bune. Din cunoştiinţele mele cel mai puternic amplificator audio clasă D integrat este la ora actuală TAS5630. O altă dezvoltare este reprezentată de amplificatoarele clasă D fără filtru la ieşire, precum MAX9700. În telefoanele mobile sau în mp3 playere, unde spaţiul pe placă este foarte limitat, devine foarte avantajoasă elimitarea bobinelor.

Am încercat abordarea unui amplificator clasă D, şi anume un TPA3123. Respectînd schema plăcii de dezvoltare, cît şi recomandările din datasheet, amplificatorul a funcţionat din prima, cu rezultate bune. Deşi oferă la ieşire 2x25W, acesta nu are nevoie de radiator. Foloseşte un plan de masă pe post de radiator, avînd pe partea cu pinii, pe mijloc, un Thermal Pad. Acesta se cositoreşte de planul de masă, sau se pune vaselină siliconică. Foaia de catalog recomandă via-uri sub integrat care să facă contact cu un plan de masă mai mare, dar asta e imposibil de realizat în regim de amator. De aceea, aşa cum am făcut, apare un gradient mare de temperatură în locul unde planul de masă „iese” de sub integrat. Chiar şi aşa, răcirea este suficientă. Filtrul de ieşire este peramenent cald, pe la 45-50 de grade, din motivul prezentat mai sus. Montajul arată am aşa: