Amplificcador en clase Amplifi clase D para para audio ELECTRÓNICA DE POTENCIA. Finalmente los amplificadores de señal basados en conmutación están haciendo su aparición de una forma sólida en el mercado del audio profesional. En el presente artículo se expone a grandes rasgos las características del amplificador en clase D para señales de audio. FRANCISCO JOSÉ GONZÁLEZ ESPÍN (1), EMILIO FIGUERES AMORÓS(2), GABRIEL GARCERÁ SAN FELIÚ (2) Y JESÚS SANDIA PAREDES (2) (1) VMB ESPAÑOLA S.A. DPTO. I+D+I (2) GRUP UPO O DE SISTEMAS ELECTRÓNICOS I NDUSTRIALES (GSEI) (U NIVERSIDAD POLITÉ OLITÉCNICA CNICA DE VALENCIA (UPV))
l amplificador en u n sistema de audio será el encargado de amplificar la entrada hasta un cierto nivel capaz de manejar el altavoz de manera que el sonido pueda ser escuchado con una presión sonora adecuada al espacio a sonorizar. Cuando estos espacios son grandes, la cantidad de presión necesaria necesita de grandes cantidades de potencia eléctrica que debe suministrarse a los altavoces siguiendo la referencia de la señal de audio original. En estos casos se precisa de amplificadores capaces de controlar el altavoz de la manera más precisa posible, a la par de suministrar la potencia requerida, respetando en todo
E Figura 1. Amplificador en clase A emisor común simplificado.
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momento la dinámica propia del programa musim usical. Tradicionalmente Tradiciona lmente se han empleado amplif icadores donde el transistor de potencia opera en su zona lineal. Éstas son algunas de las topologías más utilizadas: - Amplificador en clase A. En esta modalidad todos los elementos activos de la etapa de salida se encuentran conduciendo en su zona lineal durante la amplificación. amplifi cación. Se emplean en equi pos hi-fi donde el rendimiento no es importanimportante, dado que presentan una distorsión armónica muy reducida. - Amplificador en clase B. En el amplificador en clase B se emplean dos elementos activos en la etapa de salida, de manera que cada uno de ellos conduce tan sólo en el semiciclo positivo o negativo de la señal de entrada. De esta manera se consigue un mejor rendimiento debido a que el transistor tan sólo conduce durante el 50% del ciclo completo, pero con mayor distorsión originada por la zona de transición o “crossover”. - Amplificador en clase AB. En esta configuración se permite que los dos transistores de la etapa de salida conduzcan al mismo tiempo durante un breve instante de tiempo para evitar la distorsión en los cruces por cero. Dado que puede alcanzarse alcanzarse un rendimiento rendimiento mayor que en clase A con menor distorsión que en clase B es el más comúnmente usado. - Amplificador en clase H. En estos dos tipos de amplificadores se dispone de dos niveles de alimentación distintos que permiten evitar las pérdidas pérdi das en los elem elemento entoss activos cuand cuandoo el amplificador no trabaja a plena potencia. Estos amplificadores presentan las ventajas de los amplificadores en clase AB respecto a distor-
Perspectiva
AMPLIFICADOR CLASE D
Figura 2. Amplificador en clase B simplificado.
sión armónica y aumentan el rendimiento hasta un 70%~80%. En la actualidad son muy valorados en el mundo del audio profesional.
as expuestas hasta ahora aumenta hasta valores superiores al 90%. Esto permite diseños más compactos y menos pesados. El empleo de un bucle de control en lazo cerrado es muy importante para conseguir niveles de distorsión armónica similares a los diseños tradicionales. En este tipo de amplificador, la señal de audio es codificada mediante PWM o modulación de ancho de pulso, de manera que la información de amplitud y frecuencia está contenida en el ciclo de trabajo de la conmutación de los transistores de la etapa de potencia. Los bloques que forman el amplificador son los siguientes: - Etapa de entrada. En esta etapa se encuentra el control de ganancia, filtrado paso bajo para evitar inestabilidad del lazo de control y el des balanceador. - Control. Para mejorar la THD (distorsión armónica total) del sistema puede emplearse un control de tensión en lazo cerrado. Se realimenta la tensión de salida filtrada para com pensar el desfase introducido por el filtro y las imperfecciones de la etapa de potencia. Este bloque es el encargado de anular los errores entre la referencia y la señal de salida. La función de transferencia del regulador en pequeña señal es la siguiente:
(1)
CLASE D Figura 3. Amplificador en clase AB simplificado.
El amplificador en clase D emplea elementos activos trabajando en corte o en saturación, por lo que el rendimiento respecto de las topologí-
Av ( s ) =
vˆc vˆi
=−
wi
i
s
(1 + s 1 +
s
w z 1 )
w p1
Y el ajuste del polo, el cero y la constante de integración es el siguiente: (2) (3) (4)
wi
=
1
(C2 + C3 ) R2
w z 1 =
i
1 R1 C 2
w p1 =
i
1 R1 (C2 / /C 3 ) i
Puede realizarse el ajuste mediante la técnica de “Loop-Shaping” para que el sistema sea esta ble, empleando el diagrama de Bode y cum pliendo el criterio de estabilidad de Nyquist [4]. - Generador PWM. Es el encargado de generar la señal PWM a partir de la moduladora y la portadora. Se emplea como portadora una señal triangular con una frecuencia entre 200 kHz y 400 kHz, y como moduladora la señal salida del control. La comparación se llevará a cabo mediante un comparador analógico capaz de tra bajar a la frecuencia de la señal moduladora. - Semipuente. Está formado por dos células de 77
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Figura 4. Amplificador en clase D.
Figura 5. Regulador.
conmutación bidireccionales en corriente. Se han empleado transistores MOSFET de potencia de canal N (lo que permite un diseño más eficiente) alimentados mediante una fuente de CC correctamente desacoplada para evitar el efecto de “pumping” inherente al modo de funcionamiento del amplificador en clase D [1] [2]. - Filtro. Un diseño correcto del filtro de salida presenta múltiples ventajas como por ejemplo limitar el consumo de corriente, minimizar el ruido de conmutación (EMI) o proteger al altavoz de los armónicos de alta frecuencia debidos a la conmutación. Estos armónicos deben ser suficientemente atenuados (la amplitud de la portadora después del filtro debe ser como máximo un 5% de la amplitud de la moduladora amplificada (primer armónico) [3]), permitiendo que la banda pasante (hasta 20 kHz) no se vea modificada ni en amplitud ni en fase. De los distintos tipos de ajustes más empleados (Chebyshev, Butterworth y Bessel), puede emplearse un filtro Butterworth LC de segun-
do orden, dado que presenta una respuesta muy plana en la banda pasante, resonancia amortiguada en la frecuencia de corte (entre 15 kHz y 25 kHz en función de la frecuencia PWM), y un número limitado de componentes. (5)
C 1 =
1 2 2 i
(6)
L1 =
π i
i
f corte Rload i
2 Rload i
2 π f corte i
i
- Protecciones. Las más importantes son contra sobre corriente, contra sobre tensión y contra CC a la salida. Éstas actuarán sobre la etapa de modulación, impidiendo la conmutación a ON de las células de conmutación en caso de error. - Ganancia de realimentación (ß). Esta ganancia permitirá adaptar el nivel de la tensión de salida de manera que pueda ser introducido en el lazo de control. MODULACIÓN ANALÓGICA Y MODULACIÓN DIGITAL
Uno de los mayores atractivos del amplificador en clase D es que su funcionamiento puede considerarse (con ciertas reservas) como digital, ya que la amplificación de la señal de audio se lleva a cabo mediante el muestreo de la señal analógica, obteniendo una codificación de ancho de pulso con una cuantización de 1 bit. En general esta codificación se lleva a cabo de forma analógica mediante la comparación de la señal de entrada con una señal triangular de frecuencia mucho mayor que la frecuencia máxima de la señal de audio, de manera que puede evitarse el fenómeno de “aliasing”. Dado que los sistemas actuales de soporte y reproducción de audio están basados en procesos digitales, es preciso convertir el flujo de datos digital al mundo analógico para poder 80
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AMPLIFICADOR CLASE D
Figura 6. Filtro LC de segundo orden. Figura 7. Evolución de la amplificación de señales de audio.
llevar a cabo la amplificación mediante cualquiera de los sistemas descritos hasta ahora. El empleo de convertidores D/A añade distorsión a la señal de referencia, por lo que un previo y una etapa de potencia cuidadosamente diseñadas pueden resultar inútiles frente a un D/A de mala calidad. La ventaja del amplificador en clase D es que la señal digital de entrada puede ser amplificada sin la necesidad de convertidores, mediante el empleo de distintas técnicas de conversión PCM a PWM. En esta conversión es muy frecuente el empleo de técnicas de “noise shaping” para reducir el ruido debido a la cuantización de la señal, lo que mejora el THD de manera significativa. Esta técnica se basa en una técnica determinística que emplea un cuantizador fino embebido en un lazo de realimentación para conseguir alterar la distribución del ruido de cuantización inherente a la señal digital, que obtiene un error menor [5]. Mediante el empleo de DSP es posible integrar por tanto en un solo aparato el proceso digital habitual (filtros, retardos, crossovers...) y la amplificación sin la necesidad de emplear convertidores D/A. Esto repercute tanto en la calidad como en el coste del producto final. El último paso natural del proceso de amplificación consiste en encontrar transductores capaces de reproducir la señal digital amplificada. A pesar de que durante muchos años el diseño de altavoces a permanecido relativamente inalterado, salvo en lo que se refiere a materiales constructivos, actualmente se trabaja para conseguir reproducir directamente la señal digital empleando básicamente dos métodos; múltiples bobinados conectados al mismo cono (MVC) o múltiples altavoces formando una matriz o array (DTA). El primero de ellos consiste en emplear tantos bobinados como bits presentes en la señal digital, realizándose la conversión digital/analógico en el campo magnético del altavoz, mientras que el segundo precisa de N altavoces, siendo N el número de bits, aunque diversas técnicas pueden ser empleadas para reducir este número a una cantidad de altavoces razonable. En este último caso la conversión D/A se produce en el dominio acústico [6]. CONSIDERACIONES PRÁCTICAS
Para llevar a cabo un diseño robusto capaz de cumplir con las exigencias del mercado profesional, deben tenerse en cuenta algunas consideraciones importantes como las que se citan a continuación: - Carga a la salida. A pesar de que el diseño 82
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Figura 8. Distintas configuraciones para DTA.
del amplificador suele hacerse para una carga constante modelada como una resistencia, la impedancia que el amplificador debe manejar no es en absoluto resistiva. En concreto depende del altavoz y del recinto acústico donde esté montado, presentando grandes variaciones del valor nominal que aporta el fabricante. Por otro lado el amplificador debe estar preparado para enfrentarse a condiciones de circuito abierto y cortocircuito, y en ningún caso estas variaciones deben dañar ni el amplificador ni el altavoz. Un aspecto muy importante que debe tenerse en cuenta es que cualquier disfunción del amplificador puede repercutir en sonidos desagradables que molestarían al oyente. Esto último es un hito importante que el diseñador debe siempre tener en cuenta. - Potencia de salida. El estudio de la potencia media de una señal de audio revela que ésta es hasta 12 dB menor que la potencia de pico [7]. Esto permite relajar el diseño térmico de la etapa de amplificación y condiciona el diseño de la fuente de alimentación, la cual debe ser capaz de mantener la tensión de esta ble a pesar de los picos de potencia. Teniendo en cuenta lo expuesto hasta ahora, no es necesario el diseño de una fuente capaz de proporcional la potencia de pico de forma prolongada, aunque sí deberá ser capaz de hacerlo durante un tiempo razonable, el cual dependerá de varios factores, entre los que se incluyen la calidad que se pretenda en el producto final. - Tamaño y peso. Una vez que se decide diseñar una etapa de amplificación en clase D, uno 84
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de los objetivos principales debe ser obtener un diseño compacto y ligero, que justifique de forma visible el empleo de una tecnología distinta a la habitual. - Proceso digital de la señal mediante DSP. Si se opta por la modulación digital, resulta muy interesante incluir funciones en la etapa de potencia propias de procesadores digitales autónomos como son filtros paramétricos, limitadores, compresores, crossovers, retardo, etc. REFERENCIAS [1] Kemp, A. “The Practical Side Of Switching Audio Power Amplifiers”: Application note. Tripath Technology, 1999. [2] Honda, J. and Cerezo. J. “Class D Audio”: Application note. Internacional Rectifier, 2003. [3] Mohan, Undeland and Robbins: “Power Electronics. Converters, applications and devices”. John Wiley and Sons, 2003. [4] Garcerá, G. y otros: “Conversores conmutados: Circuitos de potencia y control”, vol.1. Valencia, Servicios de Publicaciones de la Universidad Politécnica de Valencia, 1998. [5] Goldberg, J.M., Sandler, M.B: “Noise Shaping and Pulse-Width Modulation for an All-Digital Audio Power Amplifier”, J.Audio Eng. Soc., vol. 39, no. 6, pp. 449-460 (Junio 1991). [6] Mendoza-López, J.: “Direct Acoustic Digital to Analogue Conversión with Digital Transducer Array Loudspeakers”, Audio Eng. Soc. Convention, Paper 6417 (Mayo 2005). [7] Hermon H. Scout: Power amplifiers for music reproduction. J. Audio Eng. Soc., vol.3, pp. 132-142 (1955 Julio). ME
