Simplifique el diseño de circuitos de audio portátiles de baja potencia mediante el uso de amplificadores clase D

Por Art Pini

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

En este artículo se explicará la diferencia entre los diversos tipos de amplificadores de audio, se detallará la teoría de funcionamiento de los amplificadores clase D y se mostrará cómo aumentan la eficiencia y reducen los requisitos de potencia y el tamaño.

Los circuitos de audio para teléfonos y dispositivos IoT portátiles exigen las características vitales de baja potencia, tamaño pequeño y baja disipación de calor. Sin embargo, los amplificadores de audio suelen ser generadores de calor ineficientes que requieren disipadores térmicos de gran tamaño. Para reducir los requisitos de tamaño y potencia, los amplificadores digitales o clase D ofrecen una buena solución.

Lo que la fuente de alimentación conmutada aportó a las fuentes de alimentación, el amplificador clase D lo aporta a la reproducción de audio. Con los amplificadores clase D, las entradas de audio se codifican como señales moduladas por ancho de pulsos (PWM) que impulsan los dispositivos de potencia entre los niveles de encendido y apagado, y la potencia solo se disipa durante las transiciones.

Estos amplificadores “digitales” aumentan considerablemente la eficiencia de los amplificadores de audio, lo que resulta en una menor disipación de calor y un tamaño físico más pequeño. Además, los desarrollos recientes han cambiado los esquemas de modulación para que los filtros de paso bajo ya no sean necesarios en las salidas, lo que reduce aún más el tamaño y la complejidad.

Amplificadores de potencia analógicos

El desarrollo de amplificadores de potencia analógicos se ha centrado en mejorar la fidelidad y, al mismo tiempo, mejorar la eficiencia del amplificador. Los amplificadores se clasifican por las letras A, B, AB o C en función de su punto de polarización o funcionamiento y el porcentaje del ciclo de la señal de entrada durante el cual conducen (Figura 1).

Diagrama de polarización de funcionamiento y conducción de señal de amplificadores analógicos clase A, B, AB y C

Figura 1: La polarización de funcionamiento y la conducción de señal de los amplificadores analógicos clase A, B, AB y C. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

Los amplificadores clase A (arriba a la izquierda) conducen durante todo el ciclo de la señal de entrada. Se encuentran polarizados en el punto medio de las características de funcionamiento de entrada y salida. La fidelidad de la señal es excelente, pero como el amplificador está siempre encendido, incluso sin señal de entrada, la eficiencia tiende a ser baja.

Los amplificadores clase B (abajo a la izquierda) están diseñados para mejorar la eficiencia mediante la polarización del amplificador en el corte. El amplificador solo conduce durante la mitad del ciclo de entrada. Normalmente, el circuito se configura en una topología en contrafase para amplificar transiciones de entrada positivas y negativas. Sin señal presente, el amplificador no conduce y, de esta manera, su eficiencia aumenta. Una pérdida de fidelidad contrarresta esta ventaja debido a la distorsión de cruce que puede ocurrir en los puntos de transición de la polaridad de entrada.

Para abordar el problema de la distorsión de cruce, se puede mover el punto de polarización del amplificador un poco más alto. Esto resulta en el amplificador clase AB (arriba a la derecha). Este tipo de amplificador también suele usarse en una configuración en contrafase. El amplificador clase AB es el tipo más común para aplicaciones de potencia de audio.

El amplificador clase C (abajo a la derecha) está diseñado para conducir durante una porción muy pequeña del ciclo de entrada. Se caracteriza por su alta eficiencia, pero su fidelidad es deficiente. Estos amplificadores se utilizan en diseños de potencia de RF donde la carga de salida es un circuito resonante que recupera la forma de onda correcta.

Las estrategias para mejorar la eficiencia de estos amplificadores analógicos se centran en reducir la fase de conducción del amplificador a la menor duración posible, como se muestra con el amplificador clase C.

Conceptos básicos de la clase D

El amplificador clase D adopta un enfoque diferente y, en cambio, funciona de manera muy similar a una fuente de alimentación conmutada (Figura 2).

El diagrama del amplificador clase D convierte la entrada analógica en una forma de onda con modulación por ancho de pulsos (PWM)

Figura 2: Un amplificador clase D convierte la entrada analógica en una forma de onda PWM para activar o desactivar por completo los interruptores con transistor de efecto de campo (FET). El filtro de paso bajo de salida recupera la forma de onda analógica en el altavoz. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El amplificador clase D convierte la señal analógica de entrada en una forma de onda con modulación por ancho de pulsos (PWM). La forma de onda PWM activa y desactiva completamente la etapa de salida del FET en contrafase para cada impulso. Cuando uno de los FET está encendido, la corriente que lo atraviesa es alta, pero el voltaje es muy bajo, por lo que la potencia solo se disipa durante las breves transiciones entre el estado de encendido y apagado. Del mismo modo, cuando el FET está apagado, el voltaje a través de este es alto, pero la corriente es prácticamente igual a cero. Una vez más, no hay disipación de potencia, excepto en las transiciones de estado.

La conversión de la forma de onda analógica en una forma de onda PWM se realiza mediante la aplicación de la forma de onda analógica a una entrada de un comparador, mientras que una forma de onda de triángulo o rampa, a la frecuencia de conmutación deseada, se aplica a la otra entrada (Figura 3). La traza superior representa la forma de onda de entrada, en este caso una onda sinusoidal de 10 kilohercios (kHz), que se aplica a una entrada de un comparador. La traza central es una onda triangular de 250 kHz que se aplica a la otra entrada del comparador. La salida del comparador es la forma de onda PWM que se muestra en la traza inferior. El ancho de pulso varía con la amplitud de la señal de entrada.

Imagen de la creación de una señal PWM desde la entrada analógica con la señal de entrada y una función de triángulo o rampa

Figura 3: La creación de una señal PWM desde la entrada analógica requiere la señal de entrada (superior) y una función de triángulo o rampa (central). Ambas se aplican a las entradas de un comparador para producir una señal PWM con anchos de pulso que varían según la amplitud de la señal de entrada (inferior). (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La salida de la etapa de potencia en contrafase del FET también es una señal PWM. Se aplica a un filtro simple de paso bajo de inductor y capacitador (LC) para recuperar la forma de onda analógica amplificada. La frecuencia de la onda triangular tiene que ser mucho más alta que la frecuencia de la esquina del filtro de paso bajo.

Una alternativa a la PWM es la modulación por densidad de pulsos (PDM). La PDM utiliza una serie de pulsos rectangulares de corta duración, cuya densidad varía en función de la amplitud de entrada analógica. Para generarla, se utiliza la modulación sigma-delta.

Los voltajes de bus afectan la ganancia del amplificador clase D. Si bien tiene un factor de rechazo a fuente de alimentación deficiente, se corrige mediante el uso de retroalimentación alrededor del amplificador. Esto se muestra en el diagrama de bloques de la Figura 2, donde la retroalimentación se toma de la entrada del filtro.

El beneficio clave del amplificador clase D es su alta eficiencia de aproximadamente 90 %. Este es mucho mejor que su rival analógico más cercano, el amplificador clase AB, con una eficiencia de 50 a 70 %.

La alta eficiencia permite un tamaño físico más pequeño y, posiblemente, la eliminación de disipadores térmicos y ventiladores de enfriamiento. Cuando se aplica en dispositivos portátiles, una mayor eficiencia significa una mayor duración de la batería. La eficiencia varía directamente con los niveles de potencia de salida y se reduce con la disminución de potencia.

Topologías de amplificadores clase D

Existen dos topologías generalmente utilizadas para los amplificadores clase D: la más simple de las dos es el circuito de medio puente que se muestra en la Figura 4.

Diagrama de dos topologías generalmente utilizadas para la clase D: configuración de medio puente y de puente completo

Figura 4: Las dos topologías generalmente utilizadas para la clase D son la configuración de medio puente y de puente completo. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

La topología de puente completo, denominada carga ligada en puente (BTL), ofrece la ventaja de una potencia de salida más alta para los mismos voltajes de alimentación que la configuración de medio puente. El medio puente tiene la entrada del filtro que oscila entre los rieles de alimentación positivos o negativos, mientras que el circuito BTL tiene la carga entre los rieles positivos y negativos, que duplica simultáneamente el voltaje aplicado a la carga y, por lo tanto, cuadruplica la salida de potencia. El funcionamiento BTL también permite el uso de una sola fuente de alimentación unipolar.

Amplificadores clase D sin filtro

Con el sistema de conmutación tradicional de clase D, llamado modulación CA, el ciclo de trabajo modula la forma de onda rectangular de modo que su valor promedio corresponda al voltaje de la señal analógica de entrada. Las salidas BTL se complementan entre sí. No hay contenido de conmutación de modo común significativo en su salida. Sin embargo, hay un voltaje de CC de modo común debido al valor promedio de la conmutación PWM. Dado que este nivel de voltaje de CC se aplica a ambos lados de la carga, no contribuye a la disipación de potencia a través de esta.

Sin entrada, el amplificador conmuta a su frecuencia PWM nominal con un ciclo de trabajo del 50 % aplicado a la carga. Esto causa un flujo de corriente significativo y una disipación de potencia en la carga. El filtro LC es necesario para bajar la corriente a una “ondulación” para mejorar la eficiencia. Cuanto menor sea esta corriente de ondulación, mejor será la eficiencia debido a la reducción de disipación en la carga y la reducción de pérdidas de conducción a través de RDS(on) de los FET de salida.

Un esquema de modulación alternativa, a menudo denominado BD o modulación sin filtro, utiliza un sistema de conmutación que modula el ciclo de trabajo de la diferencia de las señales de salida para que su valor promedio coincida con la señal analógica de entrada. Las salidas BTL se relacionan entre sí cuando están inactivas, pero no se complementan. Esto resulta en que no haya diferencia de voltaje en la carga y que se minimice el consumo de potencia en reposo sin la necesidad de un filtro. La modulación BD tiene un contenido significativo de modo común en su salida. Este esquema de modulación se basa en la inductancia intrínseca del altavoz y del filtro de banda pasante característico del oído humano para recuperar la señal de audio.

Circuitos integrados de amplificadores clase D

El TPA3116D2DADR de Texas Instruments es un amplificador estéreo clase D que tiene una eficiencia superior al 90 % y admite múltiples configuraciones de potencia de salida, incluidos 2 canales a 50 vatios en una carga de 4 Ω BTL a 21 voltios. Otros modelos de la familia admiten 2 canales a 30 vatios en 8 Ω a 24 voltios y 2 canales a 15 vatios en 8 Ω a 15 voltios. Solo el dispositivo de mayor potencia requiere un disipador térmico.

Los dispositivos admiten frecuencias de conmutación de hasta 1.2 MHz que eliminan la amplitud modulada (AM) para evitar interferencias. Una selección de esquemas de modulación CA o BD puede seleccionarse a través de un solo control de entrada. Incluye circuitos de autoprotección integrados como sobrevoltaje, subvoltaje, exceso de temperatura, detección de CC y cortocircuito con informe de errores. Se muestra una configuración típica mediante el uso de la herramienta de simulación TINA-TI de TI (Figura 5).

Imagen de la simulación del amplificador estéreo clase D TPA3116D2DADR de Texas Instruments (haga clic para ampliar)

Figura 5: Una simulación del amplificador estéreo clase D TPA3116D2DADR de TI donde se muestran las formas de onda de salida en bruto (VM3) y filtrada (VM1) para la modulación BD. (Fuente de la imagen: Digi-Key Electronics)

El circuito utiliza una única fuente de alimentación de 12 voltios y muestra un nivel de potencia de salida de 12.5 vatios en 4 Ω. El osciloscopio virtual muestra la salida digital en bruto (VM3) así como la salida filtrada (VM1).

El TPA3126D2DAD de Texas Instruments es una mejora en el rendimiento de la serie TPA3116D2. El dispositivo es compatible pin a pin con el CI más antiguo y presenta una mejora importante que reduce la corriente inactiva en un 70 % mediante el uso de un esquema de modulación híbrido patentado. El esquema reduce la corriente inactiva a niveles bajos de potencia para prolongar la vida útil de la batería.

El funcionamiento de bajo consumo requiere más cuidado en el diseño de los amplificadores clase D. Como se mencionó anteriormente, la eficiencia es proporcional al nivel de potencia y, por lo general, los niveles bajos de potencia significan una menor eficiencia. El TPA2001D2PWPR de Texas Instruments es un amplificador estéreo clase D de 1 vatio por canal que es un diseño de clase D de tercera generación. Presenta una corriente de suministro más baja, un umbral de ruido más bajo y una mayor eficiencia. Debido a que está diseñado en torno al esquema de modulación sin filtro de clase D, no requiere un filtro de salida, lo que ahorra el costo de las piezas del diseñador y el espacio en la placa. Puede suministrar más de 1 vatio por canal en 8 Ω si utiliza una fuente de alimentación de 5 voltios.

Se encuentra disponible un diseño de referencia como una placa de evaluación, el TPA2001D2EVM, que forma un amplificador de audio clase D del tipo “conectar y usar” (Figura 6).

Diagrama del amplificador estéreo de 1 vatio por canal basado en el amplificador clase D TPA2001D2

Figura 6: Un amplificador estéreo de 1 vatio por canal basado en el amplificador clase D TPA2001D2. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

El amplificador, que utiliza la topología BTL, es básicamente independiente y solo requiere unos pocos componentes externos.

Conclusión

Los amplificadores clase D ofrecen pérdidas bajas y una eficiencia de muy alta potencia en un paquete pequeño para diseños portátiles y con alimentación a batería. Los CI disponibles en el mercado permiten que la aplicación de estos amplificadores sea rápida y fácil, y los avances recientes han reducido la necesidad de filtros, de manera que estos amplificadores sean menos costosos y más compactos.

Descargo de responsabilidad: Las opiniones, creencias y puntos de vista expresados por los autores o participantes del foro de este sitio web no reflejan necesariamente las opiniones, las creencias y los puntos de vista de Digi-Key Electronics o de las políticas oficiales de Digi-Key Electronics.

Información sobre el autor

Art Pini

Arthur (Art) Pini es un autor que contribuye Digi-Key Electronics. Tiene una Licenciatura en Ingeniería eléctrica de la City College of New York, y un Máster en ingeniería eléctrica de la City University of New York. Tiene más de 50 años de experiencia en electrónica y ha trabajado desempeñando funciones de ingeniería y marketing en Teledyne LeCroy, Summation, Wavetek y Nicolet Scientific. Le interesa la tecnología de medición y tiene experiencia con los osciloscopios, analizadores de espectro, generadores de formas de onda arbitrarias, digitalizadores y medidores de potencia.

Información sobre la editorial

Editores de Digi-Key de América del Norte