Résumé : Cette note d’application examine le fonctionnement et les avantages d’une classe D (découpage et sans filtre) amplificateur audio. Amplificateurs à découpage tels que le MAX4295 mono et stéréo MAX9701 sans filtre offrent une qualité audio avec l’amélioration de l’efficacité par rapport aux traditionnels amplificateurs audio linéaires (classe A, classe B et classe AB). Cette note d’application présente une vue d’ensemble des conceptions traditionnelles amplificateur audio linéaire et les compare ensuite avec la conception d’amplificateur classe D. Les avantages des nouveaux amplificateurs de classe G sont reconnus. L’article montre les calculs de rendement et de conception de filtre de sortie pour les amplificateurs de classe D. La grande efficacité des amplificateurs de classe D est démontrée avec le MAX9701.

Une version de cet article paru dans le numéro d’août 2002 du magazine de produits électroniques.

Introduction:

Amplificateurs linéaires dominatrices ont longtemps dominé le monde de l’audio. Mais comme les consommateurs de produits électroniques portables exigent des appareils plus petits avec une plus grande autonomie, concepteurs remplacent les amplificateurs linéaires conventionnels avec des dispositifs de haute efficacité. Commutation audio a donc trouvé un créneau. Bien que les amplificateurs de classe AB dominent le monde de l’audio, les amplificateurs de classe D (découpage) fournissent l’équilibre entre efficacité et distorsion requis par les appareils portables.

Dans sa forme la plus simple, un amplificateur à découpage se compose d’un pont en H et une charge (Figure 1). La charge de pont en H comprend l’impédance des haut-parleurs et les filtres passifs. H-bridge oriente actuel à l’orateur, et le filtre LC atténue le bruit de commutation. Pour comprendre plus clairement pourquoi cette méthode est mieux adaptée aux appareils portables que l’amplificateur linéaire classique, nous devons examiner les avantages et les pièges de chaque topologie. Avant de faire une comparaison complète, nous examinons tout d’abord les caractéristiques communes à toutes les étapes de la sortie audio spécifiques.

La figure 1. Un étage de sortie de classe D utilise les commutateurs MOSFET d’alterner le chemin d’accès actuel à la charge.

Amplificateurs sont généralement classés par leurs niveaux de puissance. Même avec les entrées identiques et stades de gain, amplificateurs avec niveaux de puissance différents présentent différents niveaux de performance et d’efficacité.

Parmi les topologies courantes de l’étage de sortie (Classes A, B, AB et D), les amplificateurs de classe D montrent la plus grande efficacité. Un étage de sortie linéaire (classe A, B ou AB) dessine le courant tout en sourcing et naufrage actuel dans un haut-parleur de polarisation considérable. Un étage de sortie non linéaire (classe D) améliore l’efficacité et prolonge la vie de la batterie en éliminant ce courant de polarisation. L’efficacité de la classe D est acquise au prix de plus de bruit et de distorsion. Intégration dans des équipements permettant de linéarité à être échangé pour une efficacité, un amplificateur de classe D est donc le meilleur choix.

Classe A:

L’approche plus simple et encore plus efficace, la topologie de la catégorie A, est composé d’un transistor de biais et un transistor suiveur de tension. Parce que les deux transistors fonctionnent toujours dans leurs régions actives, ces circuits produisent une distorsion plus faible que les autres catégories d’étage de sortie. Cela rend les appareils classe A idéal pour les systèmes de haute fidélité. Linéarité constante est l’atout le plus précieux de la topologie de classe A et ainsi son talon d’Achille. Efficacité souffre parce que le transistor haute pression tire courant appréciable et le transistor côté bas doit être biaisé pour gérer des courants de pointe en permanence. Au niveau de signal maximum, l’efficacité maximale d’une épreuve de catégorie A est donnée par : Η = moue/PSUPPLY = ½(VCCIQ/2VCCIQ) = 0,25 ou 25 % (EQ. 1)
Cette relation suppose que la tension de sortie maximale est SCR et cette VCC = |VEE|. (Voir l’analyse et la conception de Circuits intégrés analogiques, gris et Meyer). Un tel amplificateur double comme un appareil de chauffage dans les applications haute puissance et comme un « énergivore » dans les équipements fonctionnant sur batterie

La figure 2. Un étage de sortie de classe A présente la meilleure linéarité de toutes les topologies, mais attire le plus courant d’alimentation.

Classe B:

Par rapport à la classe A, la topologie de la classe B offre une efficacité grandement améliorée au prix beaucoup plus élevée déformation. Composé de deux transistors qui ne sont pas actifs en même temps, l’amplificateur de classe B présente une efficacité maximale donnée par :
Η = moue/PSUPPLY = (VCC²/2RL)/(2VCC²/πRL) = 0.78539, soit 78,5 % (EQ. 2)
Encore une fois, cette équation suppose que la tension de sortie maximale est SCR et que VCC = |VEE|. Car cette topologie n’est pas linéaire tout au long de sa plage dynamique entière, elle produit plus de distorsion. Considérons le circuit et le graphique à la Figure 3, où l’étage de sortie se compose d’un NPN et un transistor PNP. Comme vous balayez l’entrée d’encéphalomyélite équine vénézuélienne à VCC, la sortie passe à travers une zone « morte » de 1.4V dans lequel les deux transistors sont désactivés. Cette zone morte provoque une distorsion de croisement. D’une puissance sinusoïdale appliquée à une étape de classe B, l’effet de distorsion de croisement équivaut à l’exclusion de toute parole dixième dans cet article.

La figure 3. Un étage de sortie de classe B est plus efficace qu’une classe A, mais il présente une distorsion de croisement.

Classe AB:

La topologie de l’étage de sortie plus couramment utilisée dans les amplificateurs audio monolithiques est de classe AB. En ajoutant des circuits de polarisation à une scène de classe B, l’étage de sortie de classe AB réduit rigoureusement la distorsion de croisement tout en conservant la plupart de l’efficacité de la classe B. Polarisation améliore la linéarité (ce qui réduit la distorsion) en veillant à ce qu’au moins une sortie transistor est actif quand l’entrée est entre – 0,7 v et + 0,7 v. L’efficacité (par rapport à la classe B) diminue lorsque les deux transistors sont actives simultanément, mais c’est un petit prix à payer pour des performances audio nettement amélioré.

La plupart des autres topologies amplificateur disponibles n’est pas bien définie. En effet, des désignations similaires pour différents systèmes sont utilisées par certains fabricants. Au-delà de classe A, classe B, classe AB et classe D, les autres typologies de l’amplificateur sont très ésotérique ou non applicable pour les amplificateurs audio. Nouveaux modèles de téléphones cellulaires nécessitent plus petite surface tout en maintenant le niveau de pression acoustique audio. Haut-parleurs ont été généralement la composante qui limite la finesse du dessin ou modèle. Nouveaux développements dans les haut-parleurs en céramique, ou piézoélectriques, ont apporté un nouveau défi et amplificateurs de classe G sont apparus comme la solution idéale.

Classe D:

Comme mentionné ci-dessus, amplificateurs linéaires avec des étapes d’entrée et de gain similaires peuvent avoir des étages de sortie radicalement différent. Un amplificateur de classe D à découpage, cependant, diffère complètement, à la sortie, d’entrée de l’amplificateur linéaire. Il ressemble à un régulateur de tension à découpage qu’un amplificateur. L’amplificateur sans filtre MAX9701 audio classe D (Figure 4) comporte plusieurs améliorations à la technologie d’amplification de commutateur-mode de base.

Un amplificateur de classe D comme le MAX9701 offre des performances de classe AB avec une efficacité de classe D. Schéma de modulation unique, sans filtre de l’appareil, fréquence de commutation synchronisable et étalement de spectre commutation mode créent un amplificateur de puissance audio compact, flexible, silencieux, très efficace. L’architecture d’entrée différentielle réduit le ramassage du bruit de mode commun et peut même être utilisé sans condensateurs de couplage d’entrée. Les entrées peuvent aussi être configurées pour accepter un signal d’entrée asymétrique. Comparateurs de surveillent les entrées MAX9701 et comparer les tensions d’entrée complémentaires à la forme d’onde en dents de scie. Tension d’entrée le voyage de comparateurs lorsque l’amplitude d’entrée de la dent de scie est supérieure à leur correspondant. Les deux comparateurs remis à zéro à une date fixée après le front montant du second point comparateur voyage, donc générer une impulsion de largeur minimale (tON_MIN) à la sortie du deuxième comparateur. Comme la tension d’entrée augmente ou diminue, la durée de l’impulsion à une sortie augmente pendant toute la durée de l’impulsion de sortie d’autres reste inchangé. Cela provoque la tension nette à travers le haut-parleur (VOUT + + VOUT-) pour changer. L’impulsion de largeur minimum contribue à l’appareil afin d’obtenir des niveaux élevés de linéarité.

La figure 4. Le schéma de fonctionnement de l’amplificateur audio de classe D stéréo MAX9701.

La figure 5. MAX9701 sorties avec un signal d’entrée appliqué.

Amplification non linéaire, Signal Reconstruction et THD
Contrairement aux amplificateurs linéaires classiques, l’amplificateur de classe D comprend un comparateur de cette part de pauses (c.-à-d. les échantillons) l’entrée audio en le comparant contre la dent de scie. Au cours d’une période de commutation, la sortie du comparateur est faible lorsque la dent de scie dépasse le signal d’entrée et la haute sinon (Figure 5). Pour plus de clarté, la fréquence en dents de scie montrée est relativement proche de celui de l’audio, mais habituellement, c’est beaucoup plus grande que la fréquence sonore maximale.

Pour un niveau donné d’entrée, la sortie du comparateur est une onde carrée duty-cycle-modulée avec la période déterminée par la fréquence en dents de scie. La comparaison des échantillons efficacement l’entrée audio. En plus de fréquence, gamme dynamique de l’amplificateur est déterminée par le bruit de fond et de l’ampleur en dents de scie. Si le signal audio sur le comparateur dépasse l’amplitude de la dent de scie, le cycle qui en résulte est la même que si le signal était égal à la dent de scie. À la charge, cette condition apparaît comme l’écrêtage.

Les contrôles de signal PWM les pilotes pont en H, en tournant les paires opposées de MOSFET de marche et ainsi inverser actuel à la charge au sein d’une seule période (Figure 1). Comme le montre la Figure 1, le signal à un amplificateur audio est généralement biaisé à mi-chemin entre les tensions d’alimentation. Avec aucun signal actuel, par conséquent, le comparateur de sortie de rapport cyclique est de 50 %. (Ce comportement est couvert dans la discussion sur les filtres ci-dessous.)

Il semble que la méthode d’amplification de classe D dénature le signal. Après tout, THD est le résultat de non-linéarité dans un circuit, et stades de classe D casser vers le haut de l’audio en ondes carrés non linéaires. Le filtre de sortie moyenne effet, cependant, permet aux amplificateurs de classe D atteindre THD chiffres < 1 %. Le filtre de sortie est en général un filtre passe-bas de second ordre LC, avec fréquence de coupure la valeur juste au-dessus de la bande passante audio système souhaité. Le filtre supprime le contenu haute fréquence de la sortie d’onde carrée de pont en H et permet le son amplifié de traverser inchangée.

Tous les filtres passe-bas ont finis rejet dans leur stopband, et un filtre de LC second ordre typique ne fait pas exception. Une petite quantité de la commutation fréquence « saigne » à travers la charge. Cela a habituellement aucune conséquence parce que les transducteurs audio communs sont incapables de reproduire ces fréquences. Même si l’orateur était capable de créer ces hautes fréquences, l’utilisateur final ne pouvait pas les entendre. Autres non-linéarités de filtre sont à l’intérieur de sa propre bande passante et, par conséquent, produisent une petite quantité de DHT et de bruit. Conception de filtre prudent peut réduire ces aberrations au-dessous des niveaux sonores.

Entendre seulement ce que vous voulez et filtrez le reste
Résultats du filtre bonne conception à bande passante amplificateur excellente et les performances de THD. En atténuant la fréquence de découpage et de ses harmoniques, un filtre avec la fréquence de coupure droite et rolloff extrait le signal audio avec une distorsion minimale. Un filtre avec une fréquence de 30kHz, par exemple, passe de 20kHz des signaux audio avec moins de 1 DB d’erreur et les signaux de 16kHz avec moins de 298010 d’erreur. Cette perte de bande passante est tolérable pour la plupart des applications, car l’adulte typique ne peut pas entendre au-delà de 16kHz. Le type de filtre doit être choisi selon les exigences d’un système donné ; la bande passante du filtre plat et bonne réponse en phase d’un filtre de Butterworth est un bon choix pour la plupart des applications.

Conception de filtres de sortie devrait reposer sur la réponse en fréquence désirée pour le système. Fréquence de commutation est un facteur important ; fréquence plus basse impose une coupure filtre inférieur et vice versa. Par exemple, un filtre RLC passif, équilibré, 2 pôles avec fréquence de coupure de 30kHz (Figure 6) est suffisant pour un 250kHz fréquence de commutation. Fréquence de coupure basse réduit la bande passante amplificateur, bien sûr, mais qui pourrait être acceptable dans une application donnée. Perte de bande passante peut être intolérable dans une radio ou un lecteur de CD, mais perte de haute fréquence pour l’amplification de la voix n’est pas un problème si une gamme de 5kHz est suffisante. Le tableau 1 indique la bande passante et les fréquences de commutation typiques pour certaines applications audio communes.

La figure 6. Un filtre de Butterworth passe-bas équilibré, 2 pôles, est idéal pour la plupart des applications de classe D.

La fréquence d’onde carrée sortie PWM d’un amplificateur de classe D est au-delà de la réponse de l’oreille humaine et aussi des orateurs typiques. Par conséquent, bande passante de l’oreille et la réponse en fréquence du haut-parleur desservent ensemble comme un filtre suffisant à la fréquence de découpage. Maintenant, vous pourriez vous demander, si une enceinte avec haute fréquence ondes carrées de conduite produit bonne qualité audio, alors pourquoi l’amplificateur de classe D doit-il un filtre de sortie ? La réponse est parce que les éléments d’un filtre LC externe absorberont l’énergie de fréquence de commutation. Sans filtre, cette énergie et l’audio signalent puissance doivent tous deux être dissipées dans l’enceinte.

Parce qu’un amplificateur de classe D continue de passer et de fournir le courant à la charge même avec aucun signal audio présent, un orateur qui n’est pas robuste peut être endommagé par les composantes haute fréquence de puissance classe D. Un filtre de sortie également réduit les interférences électromagnétiques (EMI), qui peuvent devenir un problème si les traces de la sortie (ou fils) sont longs et non blindée ; Si les éléments sensibles à EMI sont situés près de l’amplificateur ; ou si l’amplificateur et le haut-parleur ne sont pas dans le même boîtier.

Fréquence de l’oscillateur
La fréquence de l’oscillateur en dents de scie est une considération importante dans la conception d’un amplificateur de classe D. Sortie de la PWM (commutation) fréquence détermine les exigences du filtre-sortie et le débit du prélèvement de l’entrée audio.

Le meilleur équilibre entre performance et taille des composants est réalisé avec une fréquence de l’oscillateur au moins 10 fois le maximum de signaux fréquence, ce qui est généralement de 20kHz. Une commutation de fréquence, de 250kHz permet par exemple, 15µH taille moyenne inductances et condensateurs 1µF pour une charge de 4Ω définir la largeur de bande filtre de sortie à 30kHz. Un tel filtre atténue la fréquence de commutation suffisamment tout en permettant la plus grande partie du signal à transmettre atténués à la charge. Pour l’amplificateur audio de classe D mono MAX4295, une fréquence de l’oscillateur 250kHz et 4Ω charge donne un THD de 0,3 % et un rendement de 85 %.

Moins de 10 fois le signal audio maximale, une fréquence de l’oscillateur peut introduire des distorsions en raison de taux d’échantillonnage inférieur de l’amplificateur. Pour une entrée audio de 20kHz et oscillateur de 200kHz, le signal de sortie est reconstruit avec 10 périodes PWM / période du signal. Pour un oscillateur de 100kHz, cependant, le signal de sortie est reconstruit avec cinq périodes PWM / période du signal. Alors que cette différence pourrait sembler insignifiante pour une entrée unique-tonalité, la fréquence des signaux audio réelles peut varier considérablement en peu de temps. Cette variation peut permettre à une petite portion du signal d’entrée incontournable en raison de l’échantillonnage plus faible et le filtre de sortie de moyenne vigueur.

Une plus faible fréquence d’oscillateur non seulement augmente l’erreur de la reconstruction, mais requiert également une fréquence de coupure filtre inférieure d’atténuer suffisamment la fréquence de découpage. Fréquences de coupure bas exigent de plus grandes valeurs de composant, remplissant espace Conseil précieux et en augmentant le coût global. Une fréquence de coupure basse réduit également la gamme de fréquence de l’amplificateur en augmentant l’atténuation des signaux audio supérieures de fréquence.

La distorsion plue engagée par une basse fréquence de l’oscillateur est compensée par des gains en efficacité. Pertes de commutation sont réduites car les MOSFET n’allumez pas aussi souvent, et qui améliore l’efficacité. (Voir la section sur l’efficacité ci-dessous). À l’inverse, une fréquence bien supérieure à 10 fois l’entrée audio réduit la taille du filtre et améliore la distorsion, mais il n’abaisse pas l’efficacité. Une plus grande fréquence de l’oscillateur permet la coupure filtre supérieur, atténuant ainsi le bruit de commutation suffisamment tout en permettant à de petites valeurs de composant. Cette condition abaisse le coûts et des composants de tailles pour le filtre de sortie tout en étendant la gamme de fréquence de l’amplificateur.

Augmentation du taux d’échantillonnage réduit la distorsion dans une certaine mesure, mais des taux de balayage pour le comparateur et les conducteurs de pont deviennent plus importants à des fréquences élevées. Une fréquence de découpage de 1MHz dispose d’un délai de 1 µs, par exemple, en supposant que le comparateur lance à 50V/µs et que sa production passe de 0V à 5V. Avec une sortie rapport cyclique de 50 %, la tension de sortie moyenne sur la période de 1µs, quelle que soit la vitesse de balayage, est de 2.5V. Réduire le facteur de marche à 5 % ne donne pas sortie de l’élément de comparaison assez de temps pour atteindre 5V avant les changements d’état de sortie. La sortie s’élève à 2, 5V dans 0.05µs, puis revient à 0V dans le même laps de temps. La production moyenne est maintenant 125mV, qui est moitié le 250mV attendus. Un comportement similaire se produit lorsque le cycle est de 95 %. Par conséquent, vitesse de balayage finie de la fonction publique de référence provoque atténuation les niveaux de signal de crête. Efficacité souffre à des fréquences de commutation supérieurs parce que l’appareil se met plus souvent. (Voir la section sur l’efficacité ci-dessous).

100 % D’efficacité, théoriquement
Certes, les amplificateurs de classe D peuvent être une conception plus intensive que les amplificateurs linéaires, mais le bénéfice de leur efficacité justifie un système plus compliqué lorsque des solutions plus simples existent déjà. Envisager quelques comparaisons. La meilleure efficacité théorique pour un traditionnel

La figure 7. Cette boucle équivalente DC montre la source de pertes résistives dans un étage de sortie de classe D.

En supposant qu’aucune résistance dans les composants et les traces sauf dans la charge, alors l’efficacité de l’étage de sortie de classe D est :
Η = moue/PSUPPLY = IOUT²RL/IOUT²RL = 1 ou 100 % (éq. 4)
Parce que la puissance de sortie est directement reliée à IOUT et parce que le niveau IOUT n’est pas un facteur dans l’équation de l’efficacité, l’amplificateur est théoriquement efficace à 100 % sur toute sa gamme dynamique — une grande amélioration au-dessus de l’alternative linéaire conventionnelle.

Opération dans le monde réel:

Malheureusement, il n’existent pas de composants idéales et l’amplificateur de classe D n’est pas efficace à 100 %. Résistance finie en éléments de circuits plus évidents contribue à la perte de puissance. Une source moins évidente de la puissance dissipée est de commutation perte dans les MOSFET. Comme indiqué précédemment, les MOSFETs agissent comme des résistances lorsqu’ils opèrent dans la région linéaire. Parce qu’ils ne font pas des transitions instantanées d’off à sur, ils passer une brève période au cours de chaque cycle dans la région active, où chacun puise très actuel. La perte de puissance pendant une période de commutation (PSWITCH) est :
PSWITCH = ½fOSCIOUT²(tON + tOFF) 2RON (EQ. 5)
Moment où fOSC est la fréquence de l’oscillateur et tON et tOFF sont MOSFET et décadence. Commutation à 1MHz consomme quatre fois plus d’énergie qu’à 250kHz. Compte tenu des pertes résistives et pertes de commutation, l’efficacité d’un amplificateur de classe D est donc :
Η = moue /(PSUPPLY + PSWITCH) = IOUT²RL / (IOUT² (2RON + RP + 2RF RL) + ½fOSCIOUT²(tON + tOFF) 2RON) (EQ. 6)
Selon cette équation, vous pouvez estimer grossièrement l’efficacité réelle d’un amplificateur de classe D comme le ratio de RL pour les autres résistances dans le circuit. Par conséquent, en supposant que RL = 4Ω, fOSC = 250kHz, tonne = tOFF = 25ns, RON = 250mΩ, RF = 25mΩ et RP = 80mΩ, η est égal à 86,33 %. Il s’agit non pas de 100 %, certes, mais il est considérablement plus élevé que celui d’un amplificateur linéaire conventionnels. Croissant RL de 8Ω augmente l’efficacité surprenante 92,66 %. Puissance consommée par le circuit frontal, le comparateur ou les circuits de l’oscillateur et le lecteur n’expliquent pas ces pourcentages. Cette perte de puissance a été ignorée, parce qu’il est faible en ce qui concerne l’alimentation, à l’étage de sortie.

Mesures sur un amplificateur de classe D comme le MAX9701, conduisant une charge de 4Ω dans la majeure partie de sa gamme dynamique, montrent l’efficacité près de 85 %. Parce que le courant de repos devient plus grand en ce qui concerne le courant de sortie (Figure 8), le rendement diminue avec la puissance de sortie.

La figure 8. L’efficacité de la MAX9701 améliore comme les augmentations de puissance de sortie.

Conclusion:

Plupart amplificateurs à découpage entièrement intégré ne sont pas destinés à des applications audio de haute fidélité. Au lieu de cela, les appareils tels que le MAX9701 sont prévus pour équipement portable, piles, comme les téléphones cellulaires, les lecteurs radio/CD/cassette portables, lecteurs MP3, ordinateurs portables, PDA, lecteurs de DVD portables et des terminaux Internet mobiles. Consommateurs de ces produits sont attirés par la promesse de la portabilité et combien de temps durera la puissance de la batterie, et non par l’attente d’une expérience audio superbe, qualité cinéma. Comme le marché des appareils portables continue de croître et les amplificateurs de classe D faire accepter, vous pouvez vous attendre à voir des amplificateurs de commutation plus, doté d’une plus grande flexibilité et des niveaux plus élevés d’intégration.

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