Amplificador de clase D

Un amplificador de clase D o amplificador de conmutación es un amplificador electrónico en el que los dispositivos amplificadores (transistores, generalmente MOSFET ) funcionan como interruptores electrónicos y no como dispositivos de ganancia lineal como en otros amplificadores. Funcionan conmutando rápidamente de un lado a otro entre los rieles de alimentación, utilizando modulación por ancho de pulso , modulación por densidad de pulso o técnicas relacionadas para producir una salida de tren de pulsos. Se puede utilizar un filtro de paso bajo simple para atenuar su contenido de alta frecuencia para proporcionar corriente y voltaje de salida analógicos. 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%.

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 en kit llamado X-10 lanzado por Sinclair Radionics en 1964. Sin embargo, tenía una potencia de salida de solo 2,5 vatios . El Sinclair X-20 en 1966 produjo 20 vatios, pero sufrió 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 eran poco prácticos y no tuvieron éxito. Los amplificadores de clase D prácticos fueron posibles gracias al desarrollo de la tecnología MOSFET (transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor) basada en silicio . En 1978, Sony presentó el TA-N88, la primera unidad de clase D que empleaba MOSFET de potencia y una fuente de alimentación de modo conmutado . Entre 1979 y 1985 se produjeron rápidos avances en la tecnología MOSFET. La disponibilidad de MOSFET de bajo coste y de conmutación rápida hizo que los amplificadores de clase D tuvieran éxito a mediados de los años 1980. ^[1] El primer circuito integrado basado en amplificador de clase D fue lanzado por Tripath en 1996 y su uso se extendió ampliamente. ^[2]

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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 analógica. En algunas implementaciones, los pulsos se sincronizan con una señal de audio digital entrante, lo que elimina la necesidad de convertir la señal a analógica. La salida del modulador se utiliza para encender y apagar los transistores de salida de forma alternada. 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 frecuencias bajas 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 conmutada (SMPS) no aislada. Mientras que los convertidores reductores suelen funcionar como reguladores de tensión , suministrando una tensión de CC constante a una carga variable y solo pueden generar corriente, un amplificador de clase D suministra una tensión que cambia constantemente a una carga fija. Un amplificador conmutado puede utilizar cualquier tipo de fuente de alimentación (por ejemplo, una batería de automóvil o una SMPS interna), pero la característica definitoria es que el proceso de amplificación en sí funciona 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 ninguna 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 las eficiencias prácticas muy 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 a través de los dispositivos de potencia y voltaje en ellos. 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%.

La forma de onda de 2 niveles se deriva utilizando 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 autooscilante . ^[3] ) o formas de modulación de tiempo discreto como la modulación delta-sigma . ^[4]

Un método sencillo para 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. A continuación, el comparador activa un controlador de compuerta MOS que, a su vez, activa 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 puede utilizar el altavoz.

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 ^[5] o implementan un equivalente digital del modulador basado en triángulos. En cualquier caso, la resolución temporal proporcionada por las frecuencias de reloj prácticas es solo de unas pocas centésimas de un período de conmutación, lo que no es suficiente para garantizar un bajo nivel de ruido. En efecto, la longitud del pulso se cuantifica , lo que da como resultado una distorsión de cuantificación . En ambos casos, se aplica una retroalimentación negativa dentro del dominio digital, lo que forma un modelador de ruido que da como resultado un ruido más bajo en el rango de frecuencia audible.

Dos desafíos de diseño importantes para los circuitos de controlador 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 se activan en 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 efectivamente cortocircuitan la fuente de alimentación de salida a través de ellos mismos en una condición conocida como disparo directo .

El circuito de control también debe conmutar 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 la corriente con una resistencia significativa, lo que genera un calor significativo. Las fallas que permiten el disparo continuo o una operación en modo demasiado lineal resultan en pérdidas excesivas y, a veces, fallas catastróficas de los MOSFET. ^[6]

Con la modulación PWM de frecuencia fija, a medida que el voltaje de salida (pico) se acerca a cualquiera de los rieles de alimentación, el ancho de pulso puede volverse tan estrecho que pone a prueba la capacidad del circuito del controlador y del MOSFET para responder. Estos pulsos pueden ser tan cortos como unos pocos nanosegundos y pueden provocar una descarga y calentamiento debido al funcionamiento en modo lineal. Otras técnicas de modulación, como la modulación por densidad de pulsos, pueden lograr voltajes de salida pico más altos, así como una mayor eficiencia en comparación con la PWM de frecuencia fija.

Los amplificadores de clase D imponen un requisito adicional a su fuente de alimentación, a saber, que sea capaz de absorber la energía que retorna de la carga. Las cargas reactivas (capacitivas o inductivas) almacenan energía durante parte de un ciclo y liberan parte de esta energía más tarde. Los amplificadores lineales disiparán esta energía, los amplificadores de clase D la devolverán a la fuente de alimentación que de alguna manera debería poder almacenarla. Además, los amplificadores de clase D de medio puente transfieren energía de un riel de alimentación (por ejemplo, el riel positivo) al otro (por ejemplo, el negativo) dependiendo del signo de la corriente de salida. Esto sucede tanto con cargas resistivas como reactivas. La fuente de alimentación debe tener suficiente almacenamiento capacitivo en ambos rieles o ser capaz de transferir esta energía al otro riel. ^[7]

Los dispositivos activos de un amplificador de clase D sólo deben actuar como interruptores controlables y no necesitan tener una respuesta particularmente lineal a la entrada de control. Por lo general, se utilizan MOSFET.

La salida real del amplificador no depende únicamente del contenido de la señal PWM modulada. Varias fuentes pueden introducir errores. Cualquier variación en el voltaje de la fuente de alimentación modula directamente en amplitud el voltaje de salida. Los errores de tiempo muerto hacen que la impedancia de salida sea no lineal. 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 bucle 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 de integración adicionales. La necesidad de realimentar la señal de salida real al modulador hace que la generación directa de PWM a partir de una fuente SPDIF sea poco atractiva. ^[8]

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 la fuente para ajustar la ganancia de la señal como parte de la conversión PWM. ^[9] La distorsión se puede reducir conmutando más rápido. La impedancia de salida no se puede controlar de otra manera que no sea mediante retroalimentación.

La principal ventaja de un amplificador de clase D es que puede ser más eficiente que un amplificador lineal al disipar menos potencia en forma de calor en los dispositivos activos. Dado que no se requieren disipadores de calor grandes , los amplificadores de clase D son mucho más livianos que los amplificadores de clase A, B o AB, un factor importante a considerar en los equipos de sistemas de refuerzo de sonido portátiles y los amplificadores de bajos .

• Sistemas de cine en casa integrados . Estos sistemas de cine en casa económicos están casi siempre equipados con amplificadores de clase D. Debido a los modestos requisitos de rendimiento y al diseño sencillo, la conversión directa de audio digital a PWM sin realimentación es la más común.
• Teléfonos móviles . El altavoz interno funciona con una potencia máxima de 1 W. Se utiliza la clase D para preservar la vida útil de la batería.
• Audífonos . El altavoz en miniatura (conocido como receptor) es accionado directamente por un amplificador de clase D para maximizar la duración de la batería y puede proporcionar niveles de 130 dB SPL o más.
• Altavoces amplificados y subwoofers activos
• El audio de alta gama generalmente es conservador en lo que respecta a la adopción de nuevas tecnologías, pero los amplificadores de clase D han hecho su aparición ^[10]
• Sistemas de refuerzo de sonido . Para una amplificación de potencia muy alta, la pérdida de potencia de los amplificadores de clase AB es inaceptable. Los amplificadores con varios kilovatios de potencia de salida están disponibles como clase D. Los amplificadores de potencia de clase D están disponibles con una potencia total de salida de 3000 W, pero pesan solo 3,6 kg (8 lb). ^[11]
• Amplificación de instrumentos de bajo
• Los amplificadores de radiofrecuencia pueden utilizar clase D u otras clases de modo conmutado para proporcionar amplificación de potencia de RF de alta eficiencia en sistemas de comunicaciones. ^[12]

• Clases de amplificadores de potencia

• Sánchez Moreno, Sergio (junio de 2005). "Amplificadores de audio de clase D: teoría y diseño". Archivado desde el original el 10 de junio de 2017
• Haber, Eric Diseño con circuitos integrados de amplificadores de clase D: algunas consideraciones de diseño orientadas a circuitos integrados de clase D
• Harden, Paul The Handiman's Guide to MOSFET "Switched Mode" Amplifiers, Part 1 en Wayback Machine (archivado el 8 de marzo de 2014): un artículo sobre el diseño básico de amplificadores de RF digitales destinado a operadores de radioaficionados pero aplicable a amplificadores de clase D de audio