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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