Amplificador de clase D

Un amplificador de clase D , o amplificador de conmutación , es un amplificador electrónico en el que los dispositivos amplificadores (transistores, generalmente MOSFET ) funcionan como interruptores electrónicos, y no como dispositivos de ganancia lineal como en otros amplificadores. Su funcionamiento se basa en la conmutación rápida entre las líneas de alimentación, utilizando modulación por ancho de pulso , modulación por densidad de pulso o técnicas similares para generar una salida de tren de pulsos. Normalmente se utiliza un filtro de paso bajo para atenuar su contenido de alta frecuencia y proporcionar corriente y voltaje de salida analógicos. La energía disipada en los transistores amplificadores es mínima, ya que siempre están completamente encendidos o completamente apagados, por lo que su eficiencia puede superar el 90 %.

Los circuitos amplificadores de conmutación correspondientes a lo que ahora se denomina operación de clase D se describieron a principios de la década de 1930, incluyendo un circuito amplificador eléctrico patentado por Burnice D. Bedford en 1932. ^{[ 1 ]} Las técnicas de modulación por ancho de pulso y por tiempo de pulso fueron desarrolladas posteriormente en la década de 1930 por Alec Reeves para la señalización y transmisión de telecomunicaciones, en lugar de para la amplificación de potencia. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

El término clase D fue propuesto en 1959 por P.J. Baxandall en el contexto de los osciladores de transistores. La alta eficiencia se obtiene al hacer que los dispositivos activos conduzcan corriente solo cuando la tensión asociada es baja. En el circuito de Baxandall, esto se logró utilizando un inductor para dirigir la corriente entre los dispositivos, minimizando la superposición de tensión y corriente durante la conducción. ^{[ 5 ]}

El primer producto comercial fue un módulo en kit llamado X-10 lanzado por Sinclair Radionics en 1964. Sin embargo, tenía una potencia de salida de solo 2,5 vatios . El Sinclair X-20 de 1966 producía 20 vatios, pero sufría de las inconsistencias y limitaciones de los transistores de unión bipolar basados ​​en germanio disponibles en ese momento. Como resultado, estos primeros amplificadores de clase D fueron poco prácticos y fracasaron. Los amplificadores de clase D prácticos fueron posibles gracias al desarrollo de la tecnología MOSFET ( transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor ) basada en silicio . En 1978, Sony presentó el TA-N88, la primera unidad de clase D en emplear MOSFET de potencia y una fuente de alimentación conmutada . Posteriormente, entre 1979 y 1985, se produjeron rápidos avances en la tecnología MOSFET. La disponibilidad de MOSFET de bajo costo y conmutación rápida propició el éxito de los amplificadores de clase D a mediados de la década de 1980. ^{[ 6 ]}

En 1983, Mead Killion solicitó una patente que describía un amplificador de clase D de circuito integrado destinado a su uso en audífonos. ^{[ 7 ]} Tripath lanzó un circuito integrado basado en un amplificador de clase D en 1996. ^{[ 8 ]}

También se han desarrollado arquitecturas de clase D con modulación de fase. En estos diseños, se genera una forma de onda de conmutación de alta potencia en el lado primario y se comparte entre canales. El desplazamiento de fase se genera durante la demodulación según la señal de entrada y produce una salida modulada por ancho de pulso. En una patente asignada a Peavey Electronics se describió un amplificador de audio de clase D con modulación de fase, en el que la red eléctrica de CA se rectifica únicamente para alimentar la etapa de conmutación primaria, sin rieles de alimentación de CC en el lado secundario, y la salida se recupera mediante un filtro de paso bajo. ^{[ 9 ]}

Los amplificadores de clase D funcionan generando una secuencia de pulsos rectangulares de amplitud fija, pero con ancho y separación variables. Esta modulación representa las variaciones de amplitud de la señal de audio analógica de entrada. En algunas implementaciones, los pulsos se sincronizan con una señal de audio digital entrante, eliminando la necesidad de convertir la señal a analógica. La salida del modulador se utiliza para activar y desactivar alternativamente los transistores de salida. Dado que los transistores están completamente activados o completamente desactivados, disipan muy poca potencia. Un filtro paso bajo simple, compuesto por un inductor y un condensador, proporciona una ruta para las bajas frecuencias de la señal de audio, dejando atrás los pulsos de alta frecuencia. ^{[ 10 ]}

La estructura de una etapa de potencia de clase D es comparable a la de un convertidor reductor rectificado síncrono, un tipo de fuente de alimentación conmutada (SMPS) no aislada . ^{[ 11 ]} Mientras que los convertidores reductores suelen funcionar como reguladores de voltaje , suministrando un voltaje de CC constante a una carga variable, y solo pueden suministrar corriente, un amplificador de clase D suministra un voltaje que cambia constantemente a una carga fija. Un amplificador conmutado puede usar cualquier tipo de fuente de alimentación (por ejemplo, una batería de automóvil o una SMPS interna), pero la característica definitoria es que el proceso de amplificación en sí mismo funciona mediante conmutación. ^{[ 12 ]}

Algunos amplificadores de clase D utilizan más de dos niveles de voltaje de salida para mejorar la eficiencia y reducir el tamaño de los componentes mediante la conmutación en pasos de voltaje más pequeños. Esto reduce la corriente de rizado de conmutación y permite el uso de inductores de salida más pequeños. Una implementación utiliza semipuentes de condensadores flotantes para producir formas de onda de tres niveles a partir de una única línea de alimentación, o formas de onda de cinco niveles en configuraciones de carga conectada en puente. Esto se ha demostrado en amplificadores de potencia de audio monolíticos. ^{[ 13 ]}

Un enfoque alternativo genera múltiples niveles de voltaje de salida utilizando dispositivos de conmutación apilados o conectados en serie, sin condensadores flotantes, en los que la tensión se comparte entre los dispositivos mientras la etapa de salida genera PWM multinivel. ^{[ 14 ]}

La eficiencia energética teórica de los amplificadores de clase D que utilizan interruptores ideales es del 100 %. Es decir, toda la potencia suministrada se entrega a la carga y no se convierte en calor. Esto se debe a que un interruptor ideal en estado de encendido no encuentra resistencia y conduce toda la corriente sin caída de tensión , por lo que no se disipa potencia en forma de calor. Y cuando está apagado , recibe la tensión de alimentación completa, pero no fluye corriente de fuga, y tampoco se disipa potencia. Los MOSFET de potencia reales no son interruptores ideales, pero es común encontrar eficiencias prácticas superiores al 90 % en los amplificadores de clase D. Por el contrario, los amplificadores lineales de clase AB siempre funcionan con corriente y tensión constante en los dispositivos de potencia. Un amplificador ideal de clase B tiene una eficiencia máxima teórica del 78 %. Los amplificadores de clase A (puramente lineales, con los dispositivos siempre al menos parcialmente encendidos ) tienen una eficiencia máxima teórica del 50 %, y algunos diseños presentan eficiencias inferiores al 20 %. ^{[ 15 ]}

La forma de onda de 2 niveles se obtiene mediante modulación por ancho de pulso (PWM), modulación por densidad de pulso (a veces denominada modulación por frecuencia de pulso), control por modo deslizante (más comúnmente llamado modulación autooscilante ^{[ 16 ]} ) o formas de modulación de tiempo discreto como la modulación delta-sigma . ^{[ 17 ]}

Una forma sencilla de generar la señal PWM es mediante un comparador de alta velocidad (" C " en el diagrama de bloques anterior) que compara una onda triangular de alta frecuencia con la señal de audio de entrada. Esto genera una serie de pulsos cuyo ciclo de trabajo es directamente proporcional al valor instantáneo de la señal de audio. El comparador controla un controlador de puerta MOS, que a su vez controla un par de transistores de conmutación de alta potencia (generalmente MOSFET ). Esto produce una réplica amplificada de la señal PWM del comparador. El filtro de salida elimina los componentes de conmutación de alta frecuencia de la señal PWM y reconstruye la información de audio que el altavoz puede utilizar.

Los amplificadores basados ​​en DSP que generan una señal PWM directamente a partir de una señal de audio digital (por ejemplo, SPDIF ) utilizan un contador para medir la duración del pulso ^{[ 18 ]} o implementan un equivalente digital del modulador triangular. En ambos casos, la resolución temporal que ofrecen las frecuencias de reloj prácticas es de tan solo unas centésimas de período de conmutación, lo cual no es suficiente para garantizar un bajo nivel de ruido. En consecuencia, la duración del pulso se cuantifica , lo que produce distorsión por cuantificación . En ambos casos, se aplica retroalimentación negativa en el dominio digital, formando un conformador de ruido que reduce el ruido en el rango de frecuencias audibles. ^{[ 19 ]}

La salida real del amplificador no depende únicamente del contenido de la señal PWM modulada. Diversas fuentes pueden introducir errores. Cualquier variación en la tensión de alimentación modula directamente la amplitud de la tensión de salida. Los errores de tiempo muerto provocan que la impedancia de salida sea no lineal. El filtro de salida presenta una respuesta en frecuencia que depende en gran medida de la carga.

Una forma eficaz de combatir los errores, independientemente de su origen, es la retroalimentación negativa . Se puede crear un bucle de retroalimentación que incluya la etapa de salida utilizando un integrador simple. Para incluir el filtro de salida, se utiliza un controlador PID , a veces con términos de integración adicionales. La necesidad de realimentar la señal de salida real al modulador hace que la generación directa de PWM a partir de una fuente SPDIF resulte poco atractiva. ^{[ 23 ]}

Para mitigar los mismos problemas en un amplificador sin retroalimentación, es necesario abordarlos individualmente en la fuente. La modulación de la fuente de alimentación puede cancelarse parcialmente midiendo la tensión de alimentación para ajustar la ganancia de la señal como parte de la conversión PWM. ^{[ 24 ]} La distorsión puede reducirse conmutando más rápido. La impedancia de salida no puede controlarse salvo mediante retroalimentación.

La principal ventaja de un amplificador de clase D es su mayor eficiencia en comparación con un amplificador lineal, ya que disipa menos potencia en forma de calor en los componentes activos. Esto resulta especialmente importante en dispositivos portátiles compactos alimentados por batería. Además, al no requerir disipadores de calor de gran tamaño , los amplificadores de clase D son mucho más ligeros que los de clase A, B o AB, una consideración importante en equipos portátiles de refuerzo de sonido y amplificadores de graves .

• Sistemas de cine en casa compactos . Estos sistemas económicos suelen estar equipados con amplificadores de clase D. Debido a sus modestos requisitos de rendimiento y su diseño sencillo, la conversión directa de audio digital a PWM sin retroalimentación es la opción más común.
• Teléfonos móviles . El altavoz interno recibe una potencia de hasta 1  W.  Se utiliza la clase D para preservar la duración de la batería.
• Audífonos . El altavoz en miniatura (conocido como receptor) es accionado directamente por un amplificador de clase D para maximizar la duración de la batería y puede proporcionar niveles de 130  dB  SPL o más. ^{[ 25 ]}
• Altavoces autoamplificados y subwoofers activos
• El audio de alta gama suele ser conservador en lo que respecta a la adopción de nuevas tecnologías, pero los amplificadores de clase D han hecho su aparición ^{[ 26 ].}
• Sistemas de refuerzo de sonido . Para una amplificación de muy alta potencia, la pérdida de potencia de los amplificadores de clase AB es inaceptable. Existen amplificadores de clase  D con varios kilovatios de potencia de salida. Hay amplificadores de potencia de clase D con una potencia nominal total de 3000  W que pesan tan solo 3,6 kilogramos (7,9 lb) . ^{[ 27 ]} 
• Amplificación de instrumentos de bajo
• Los amplificadores de radiofrecuencia pueden utilizar la clase  D u otras clases de conmutación para proporcionar una amplificación de potencia de RF de alta eficiencia en sistemas de comunicaciones. ^{[ 28 ]}

• Clases de amplificadores de potencia

• Sánchez Moreno, Sergio (junio de 2005). "Amplificadores de audio de clase D: teoría y diseño" . Archivado del original el 10 de junio de 2017.
• Haber, Eric. Diseño con circuitos integrados amplificadores de clase D : algunas consideraciones de diseño de clase D orientadas a los circuitos integrados .  
• Harden, Paul La guía del manitas para amplificadores MOSFET de "modo conmutado", parte 1 en Wayback Machine (archivado el 8 de marzo de 2014) : un artículo sobre el diseño básico de amplificadores de RF digitales destinado a radioaficionados, pero aplicable a amplificadores de audio de clase D.