Come si progetta un filtro passa basso LC per un amplificatore di classe D?

2 giorni fa p Robert Keim La STMicroelectronics ha recentemente rilasciato FDA901 con certificazione AEC-Q100, che può fornire fino a 50 W per canale. In questo articolo, discuteremo dei filtri passa-basso utilizzati nell'amplificazione di classe D. Il basso consumo energetico è un obiettivo di progettazione sempre più importante e diffuso per gli ingegneri elettrici e i progetti audio non fanno eccezione. Gli amplificatori di classe D sono un mezzo per incorporare tecniche di progettazione ad alta efficienza nei circuiti audio. Come il collaboratore di CAA Lonne Mays sottolinea nel suo articolo sulla scelta del giusto transistor di potenza, l'accensione / spegnimento è ora il metodo più comune per controllare l'erogazione di energia a un carico, poiché questo tipo di operazione è intrinsecamente più efficiente della regolazione lineare. Introduciamo questo tipo di operazione nel dominio della progettazione dell'alimentatore utilizzando regolatori di commutazione anziché regolatori lineari e possiamo ottenere un effetto simile nel dominio audio utilizzando un amplificatore di classe D anziché una topologia lineare come la classe B o classe AB.
Il seguente diagramma a blocchi trasmette l'architettura generale di un amplificatore di classe D. Il segnale audio analogico viene convertito in un segnale digitale PWM dal comparatore e il segnale digitale viene inviato a uno stadio di potenza che esegue l'amplificazione. Tuttavia, non vogliamo assolutamente inviare un segnale digitale a un altoparlante, ed è per questo che abbiamo bisogno del filtro passa-basso: sopprime le frequenze di commutazione e recupera la natura sinusoidale del segnale originale.
Il filtro passa-basso in un amplificatore di classe D è un elemento cruciale del design complessivo. Innanzitutto, dobbiamo identificare una frequenza di taglio appropriata e scegliere i valori dei componenti di conseguenza. Ma questo può essere un po 'complicato perché la frequenza di taglio dipende non solo dai componenti del filtro ma anche dall'impedenza dell'altoparlante.
Dobbiamo anche assicurarci che la risposta del filtro non sia eccessivamente eccessiva o insufficiente, ma ancora una volta, è necessario fare attenzione perché il fattore Q è influenzato dall'impedenza dei diffusori. Una terza preoccupazione è la distorsione. I progettisti audio devono sempre prestare particolare attenzione alla distorsione a causa del suo effetto indesiderato sulla qualità del suono e il filtro di uscita di un amplificatore di classe D può introdurre quantità problematiche di distorsione se i valori dei componenti cambiano troppo in risposta alle variazioni del segnale di uscita.
Possiamo scegliere componenti in modo tale che l'induttanza non varierà in modo significativo al variare della corrente di uscita e la capacità non varierà in modo significativo al variare della tensione di uscita, ma questa potrebbe non essere la soluzione preferita, poiché induttori e condensatori altamente lineari sono più costosi e richiedono più spazio sulla tavola. L'FDA901 accetta quattro canali di audio digitalizzato tramite I2S, converte i dati digitali in forme d'onda analogiche e produce quattro segnali drive-drive in stile bridge mediante amplificazione di classe D. Il funzionamento del dispositivo è controllato tramite un'interfaccia I2C e include funzioni di protezione dai guasti, rilevamento del clipping e riduzione EMI.
Le impedenze dei diffusori supportate sono 1 Ω, 2 Ω e 4 Ω (consultare le pagine 8–9 del foglio dati per ulteriori informazioni sulle configurazioni dei diffusori). Come discusso in precedenza, la progettazione del filtro passa basso LC per un amplificatore di classe D non è particolarmente semplice. L'FDA901 tenta di migliorare questo aspetto dell'implementazione di classe D mediante una topologia di feedback che la ST definisce "innovativa.
" L'idea di base qui è che il filtro LC è incluso nel circuito di feedback dell'amplificatore, mentre nell'architettura di classe D più tradizionale, il feedback è preso dall'uscita dello stadio di potenza piuttosto che dall'uscita del filtro LC. ST indica che questo approccio offre vantaggi significativi e rende le prestazioni audio meno sensibili alle caratteristiche del filtro. Puoi leggere ulteriori informazioni su questo approccio di filtro in-the-loop a pagina 8 del foglio dati.
Hai scoperto che gli amplificatori di classe D producono una qualità audio adeguata nella maggior parte delle applicazioni o è ancora preferibile una soluzione completamente analogica (come l'amplificatore Blomley di classe B) quando l'obiettivo è un suono estremamente pulito e ricco? Sentiti libero di condividere i tuoi pensieri in un commento ..