LOS AMPLIFICADORES CLASE D

Los requerimientos funcionales de nuevos amplificadores de audio en su aplicación en teléfonos celulares y muchos otros equipos portátiles, no solo incluyen las convencionales especificaciones de respuesta de frecuencia, realción señal-ruido y otros parámetros de audio, sino también en forma creciente y preponderante la eficiencia eléctrica y térmica. Los amplificadores tradicionales de clase A, B, AB y todas sus variantes ya no conforman los requisitos actuales y la incorporación de nuevos métodos fue inevitable. Una de estas nuevas posibilidades de amplificadores de audio fue el amplificador de clase D, del cual nos ocuparemos en la presente nota.

EL AMPLIFICADOR DE AUDIO TRADICIONAL

Es bien sabido que entre los parámetros básicos de los amplificadores de audio figuran los parámetros de la reproducción de audio como primordiales. Los valores de respuesta de frecuencia y fase, contenido armónico y/o distorsiones, relación señal-ruido y otros, siguen teniendo su posición preponderante en todo amplificador de audio. Sin embargo, en algunas aplicaciones los valores de rendimiento y eficiencia del 70%, (típico de los amplificadores convencionales en Clase AB) y su valor teórico máximo del 78%, ya no son suficientes y se necesitan valores mayores del orden del 85 al 90%, sobre todo en cuanto a disipación térmica. A ello se agrega que en muchas aplicaciones el factor costo influye en forma importante y todos los requisitos de calidad, rendimiento y eficiencia eléctrica, deben cumplirse en un ambiente de elevada eficiencia de costos. En los amplificadores de las clases A, B y AB se depende del funcionamiento lineal de los componentes activos (válvulas, transistores discretos y circuitos integrados) del conjunto. Toda desviación de este modo se manifestará de inmediato en un incremento de la distorsión armónica de la señal de audio, lo que en casos extremos llevará a un funcionamiento inaceptable.

 
EL AMPLIFICADOR CLASE D
El amplificador de clase D es esencialmente una llave electrónica y un conversor de frecuencias, circuito desarrollado por primera vez por el Mayor Edwin H. Armstrong (1890 – 1954), quien introdujo este concepto alrededor de 1918 al inventar el superheterodino. El conversor de frecuencias es también la primera aplicación de una compuerta lógica “Y” con su Tabla de verdad indicada en la Tabla 1. Se indican las dos entradas de dicha función como A, B y su salida como F. El estado de conducción se indica como “1” y el de no-conducción como “0”.

Se observa que en el fondo la compuerta lógica “Y” no es más que un circuito de conmutación digital de dos estados (conducción y no-conducción), bien alejado del concepto de la linealidad analógica imperante en el dominio de las audiofrecuencias.

En la mayoría de las aplicaciones tempranas de las compuertas lógicas “Y” se usan frecuencias relativamente altas, básicamente radiofrecuencias en el conversor de radio (460 a 560kHz, aproximadamente) o frecuencias intermedias en el generador de interportadora (41.25, 4575, 4.5MHz), aplicaciones que son dependientes de señales sinusoidales fácilmente regeneradas mediante sus respectivos circuitos resonantes. Los valores numéricos en el caso de la interportadora son los cuatro componentes intervinientes:

Portadora de audio 41.25MHz
Portadora de video 45.75MHz
La suma de ambas: 87MHz
La diferencia de ambas 4.5MHz.

Como en esta aplicación sólo se usa esta última señal, es necesario colocar filtros pasabajos de 4.5MHz que eliminan las demás componentes de frecuencias más altas. La presencia de filtros de banda o pasabajos es imprescindible en estos casos de compuerta lógica “Y” y lo debemos tener en cuenta también en el caso del amplificador Clase D a pesar de usar sólo frecuencias de audio como señal útil.

Al usar este tipo de circuito de conmutación digital con audiofrecuencias, fue necesario introducir algunos cambios importantes, si bien el concepto básico sigue siendo el mismo. Se presenta en el amplificador de Clase D entonces una unión de conceptos analógicos y digitales, tan frecuentes en la electrónica de consumo actual.

En la Figura 1 vemos un circuito básico de amplificador Clase D, con las siguientes indicaciones.

En este circuito se usan dos transistores tipo MOSFET en función de conmutadores. Cada transistor es alternadamente en estado de conducción con corriente de saturación y no-conducción al corte. Cuando está al corte, su corriente es cero y cuando está saturado, la tensión en sus extremos es muy reducida, virtualmente cero. Por lo tanto en ambos modos, su consumo de potencia es muy reducido. Este concepto aumenta la eficiencia del circuito y requiere menos potencia de la fuente de alimentación. Esto a su vez permite el uso de disipadores térmicos de menor tamaño.

La etapa de entrada del amplificador de la Figura 1 es un circuito comparador en base a amplificadores operacionales que excitan dos transistores del tipo MOSFET que funcionan como llaves o conmutadores.

El comparador recibe dos señales de entrada, siendo una la señal de audio VA y la otra una señal triangular VT de una frecuencia mucho más alta. El valor de tensión de salida del comparador VC estará a nivel de +Vcc o –Vee. Cuando VA > VT, la tensión de VC = +Vcc. Cuando VA< VT, Vc = -Vee.

Las tensiones de salida del comparador positivas o negativas excitan dos MOSFETS complementarios de surtidor común. Cuando VC es positivo, Q1 conduce y Q2 está al corte. Cuando VC es negativo, Q2 conduce y Q1 está al corte. Las tensiones de salida de cada transistor serán ligeramente menores que la tensión de la fuente de +V y –V. El filtro compuesto por L1 y C1 actúa como filtro pasabajos, produciendo así una señal de audio analógica. Seleccionando los valores correctos, el filtro permite el paso del valor promedio de la señal de salida de los transistores de conmutación Q1 y Q2 a los altoparlantes. Si el valor de la señal de audio de entrada VA fuera cero, la tensión VO sería una onda cuadrada simétrica con un valor promedio cero.

Para ilustrar mejor el funcionamiento de la etapa vemos en la Figura 2 la forma de onda de entrada y en la Figura 3 la forma de onda de salida que sigue fielmente a la señal de entrada. Si bien en estas figuras la señal de conmutación es dibujada como de 20 veces mayor que la señal de audio, por ejemplo 20kHz de conmutación y 1kHz de audio, en la práctica el valor de la señal de conmutación es mucho mayor y puede llegar a 250 a 300kHz. En general, debemos manifestar que la frecuencia de conmutación debe ser tan alta como sea posible con respecto a la frecuencia de corte del conjunto L1C1, para mantener un valor favorable en el grado de distorsión armónica de la señal de salida de la etapa. Asimismo, debe cuidarse que el nivel de amplitud de la señal de audio VA tenga aproximadamente un nivel del 70% de la tensión de conmutación VT.

La salida VO de los transistores de conmutación configuran una señal modulada por pulsos (PWM) cuyo valor promedio es una función de la señal de entrada como vimos en las Figuras 2 y 3. Se trata de una conversión digital analógica implícita, siendo la señal PWM digital y su valor medio una señal analógica.

 
APLICACIONES PRACTICAS
En muchas aplicaciones prácticas se recurre a circuitos integrados que poseen en una sola cápsula todas las etapas necesarias y refuerzan la potencia de salida mediante circuitos puente, similar al circuito de aplicación de la Figura 4 que está basado en el integrado NJU8755 de New Japan Radio, productor de muchos circuitos integrados en el rubro audio y afines. Este circuito integrado posee un aspecto que surge de la Figura 5 y es del tipo SMD (Surface Mounted Device) de 20 patas. En la Tabla 2 vemos la designación de las patas del NJU6755. Este amplificador de audio estereofónico tipo NJU8755 posee una eficiencia del orden del 85 al 90% y su potencia de salida de 1.2 watt por canal sobre 8 ohm es apta para teléfonos celulares, computadoras del tipo Notebook, agendas electrónicas, juguetes y otras aplicaciones de audio de esta potencia y de alimentación a batería. Una de las ventajas de este integrado es su construcción en circuito puente sin transformador (BTL = Bridge Transformerless), lo que elimina la presencia de componentes adicionales y permite una conexión directa al altoparlante.

El integrado NJU8755 posee, además, algunos circuitos de protección que permiten un funcionamiento más seguro y de menor consumo sobre la fuente. Nos referimos concretamente a un circuito de stand-by que reduce el reducido consumo aún más y un circuito protector de cortocircuitos que está incorporado al chip y protege contra cortocircuitos entre diferentes etapas en forma independiente y después de cortar la etapa afectada durante 5 segundos, retorna al funcionamiento normal.

Cortocircuito entre OUTLP y OUTLN
Cortocircuito entre OUTLP y VSSL
Cortocircuito entre OUTLN y VSSL
Cortocircuito entre OUTRP y OUTRN
Cortocircuito entre OUTRP y VSSR
Cortocircuito entre OUTRN y VSSR

Un punto de prueba en la pata 3 es normalmente conectado a masa, pero al ser levantado permite controlar el funcionamiento correcto del integrado.

Otro circuito de protección desconecta automáticamente el chip si detecta una tensión demasiado baja en la fuente.

 
CONCLUSION
Si bien el proceso de los amplificadores clase D es digital, permite una perfecta combinación con circuitos analógicos que son inevitables en el dominio del audio. De esta manera se adapta también sin costura a la reciente modalidad de la convergencia analógica-digital.
 
Autor: Egon Strauss
FIGURA 1
 
FIGURA 2 - 3
 
FIGURA 4
 
FIGURA 5
 
TABLA 1
 
TABLA 2
 
 
 
 
PROMOCIONES