Funcionamiento y aplicaciones de amplificadores de clase D

Funcionamiento y aplicaciones de amplificadores de clase D

En este mundo moderno, el objetivo principal de la amplificación de audio en un sistema de audio es reproducir y amplificar con precisión las señales de entrada dadas. Y uno de los mayores desafíos es tener una alta potencia de salida con la menor cantidad de pérdida de energía posible. La tecnología de amplificador de clase D está teniendo un impacto cada vez mayor en el mundo del sonido en vivo al ofrecer alta potencia con cero disipación de energía y menos peso que nunca. Hoy en día, los dispositivos de música portátiles se están volviendo más populares con la creciente demanda de sonidos externos en los dispositivos de música portátiles.

La amplificación de audio a veces se realiza con tecnología de amplificador de tubo, pero estos son voluminosos y no son adecuados para sistemas de sonido electrónicos portátiles. Para la mayoría de las necesidades de amplificación de audio, los ingenieros optan por utilizar transistores en modo lineal para crear una salida escalada basada en una entrada pequeña. Este no es el mejor diseño para amplificadores de audio porque los transistores en operación lineal conducirán, generarán calor y consumirán energía continuamente. Esta pérdida de calor es la razón principal por la que el modo lineal no es óptimo para aplicaciones de audio portátiles que funcionan con baterías. Existen muchas clases de amplificadores de audio A, B, AB, C, D, E y F. Se clasifican en dos modos de funcionamiento diferentes, lineal y de conmutación.


Amplificador de clase D

Amplificador de clase D



Amplificadores de potencia de modo lineal - Clase A, B, AB y la clase C son todos amplificadores de modo lineal que tienen una salida que es proporcional a su entrada. Los amplificadores de modo lineal no se saturan, no se encienden ni se apagan completamente. Dado que los transistores siempre son conductores, se genera calor y se consume energía continuamente. Esta es la razón por la que los amplificadores lineales tienen menor eficiencia en comparación con los amplificadores de conmutación. Amplificadores de conmutación: las clases D, E y F son amplificadores de conmutación. Tienen mayor eficiencia, que teóricamente debería ser del 100%. Esto se debe a que no hay pérdida de energía por disipación de calor.

¿Qué es un amplificador de clase D?

El amplificador de clase D es un amplificador de conmutación y cuando está en el estado 'ENCENDIDO' conducirá la corriente pero tendrá un voltaje casi nulo a través de los interruptores, por lo que no se disipa calor debido al consumo de energía. Cuando está en el modo 'APAGADO', la tensión de alimentación se cruzará los MOSFET , pero debido a que no hay flujo de corriente, el interruptor no consume energía. El amplificador solo consumirá energía durante las transiciones de encendido / apagado si no se tienen en cuenta las corrientes de fuga. Amplificador de clase D que consta de las siguientes etapas:

  • Modulador PMW
  • Circuito de conmutación
  • Filtro de salida de paso bajo
Diagrama de bloques del amplificador de clase D

Diagrama de bloques del amplificador de clase D

Modulador PMW

Necesitamos un bloque de construcción de circuitos conocido como comparador. Un comparador tiene dos entradas, a saber, Entrada A y Entrada B. Cuando la Entrada A tiene un voltaje mayor que la Entrada B, la salida del comparador irá a su voltaje positivo máximo (+ Vcc). Cuando la entrada A tiene un voltaje más bajo que la entrada B, la salida del comparador irá a su voltaje negativo máximo (-Vcc). La siguiente figura muestra cómo funciona el comparador en un amplificador de clase D. Una entrada (sea el terminal de entrada A) se suministra con la señal que se va a amplificar. La otra entrada (Entrada B) se suministra con una onda triangular generada con precisión. Cuando la señal es instantáneamente más alta en nivel que la onda triangular, la salida se vuelve positiva. Cuando la señal tiene un nivel instantáneamente más bajo que la onda triangular, la salida se vuelve negativa. El resultado es una cadena de pulsos donde el ancho del pulso es proporcional al nivel de señal instantánea. Esto se conoce como 'Modulación de ancho de pulso' o PWM .

Modulador PMW

Modulador PMW

Circuito de conmutación

Aunque la salida del comparador es una representación digital de la señal de audio de entrada, no tiene la potencia para impulsar la carga (altavoz). La tarea de este circuito de conmutación es proporcionar suficiente ganancia de potencia, que es esencial para un amplificador. El circuito de conmutación generalmente se diseña mediante el uso de MOSFET. Es muy crucial diseñar que los circuitos de conmutación produzcan señales que no se superpongan o, de lo contrario, se encontrará con el problema de cortocircuitar su suministro directamente a tierra o si usa un suministro dividido en cortocircuito los suministros. Esto se conoce como disparo directo, pero se puede prevenir introduciendo señales de puerta no superpuestas en los MOSFET. El tiempo sin superposición se conoce como tiempo muerto. Al diseñar estas señales, debemos mantener el tiempo muerto lo más corto posible para mantener una señal de salida precisa de baja distorsión, pero debe ser lo suficientemente largo para evitar que ambos MOSFET conduzcan al mismo tiempo. El tiempo que los MOSFET están en modo lineal también debe reducirse, lo que ayudará a asegurar que los MOSFET funcionen sincrónicamente en lugar de que ambos conduzcan al mismo tiempo.


Para esta aplicación, se deben usar MOSFET de potencia debido a la ganancia de potencia en el diseño. Los amplificadores de clase D se utilizan por su alta eficiencia, pero los MOSFET tienen un diodo de cuerpo incorporado que es parásito y permitirá que la corriente continúe funcionando libremente durante el tiempo muerto. Se puede agregar un diodo Schottky en paralelo al drenaje y la fuente del MOSFET para reducir las pérdidas a través del MOSFET. Esto reduce sus pérdidas porque el diodo Schottky es más rápido que el diodo del cuerpo del MOSFET, lo que garantiza que el diodo del cuerpo no conduzca durante el tiempo muerto. Para reducir las pérdidas debidas a la alta frecuencia es práctico y necesario un diodo Schottky en paralelo con el MOSFET. Este Schottky asegura que el voltaje a través de los MOSFET antes de apagarse. El funcionamiento general de los MOSFET y la etapa de salida es análogo al funcionamiento de un sistema síncrono. convertidor de moneda . Las formas de onda de entrada y salida del circuito de conmutación se muestran en la siguiente figura.

Circuito de conmutación

Circuito de conmutación

Filtro de paso bajo de salida

La etapa final de un amplificador de clase D es el filtro de salida que atenúa y elimina los armónicos de la frecuencia de la señal de conmutación. Esto se puede hacer con un arreglo de filtro de paso bajo común, pero el más común es una combinación de inductor y capacitor. Se desea un filtro 2ndorder para que tengamos una caída de -40dB / Década. El rango de frecuencias de corte está entre 20 kHz y aproximadamente 50 kHz debido al hecho de que los humanos no pueden escuchar nada por encima de 20 kHz. La siguiente figura muestra el filtro Butterworth de segundo orden. La razón principal por la que elegimos un filtro Butterworth es que requiere la menor cantidad de componentes y tiene una respuesta plana con una frecuencia de corte aguda.

Filtro de paso bajo de salida

Filtro de paso bajo de salida

Aplicaciones del amplificador de clase D

Es más adecuado para dispositivos portátiles porque no contiene ningún disipador de calor adicional. Tan fácil de llevar. El amplificador de clase D de alta potencia se ha convertido en estándar en muchas aplicaciones de electrónica de consumo, como

  • Televisores y sistemas de cine en casa.
  • Electrónica de consumo de alto volumen
  • Amplificadores de auriculares
  • Tecnología móvil
  • Automotor

Por lo tanto, se trata de la operación y las aplicaciones de los amplificadores de clase D. Esperamos que comprenda mejor este concepto. Además, cualquier consulta sobre este concepto o para implementar cualquier proyectos eléctricos y electrónicos , envíe sus comentarios comentando en la sección de comentarios a continuación. Aquí hay una pregunta para ti, ¿Cuáles son las aplicaciones del amplificador de clase D?