Amplificatoare clasa D, AD(level2), BD(level3), ND(multilevel), cu Si sau HEMT-GaN, filtre de iesire

[gsabac]

    Modulare AD sau level 2 (traditionala)

Tehnica traditionala de comutare (modulatie AD) moduleaza ciclul de functionare al unei forme de unda dreptunghiulare, astfel încât continutul sau mediu sa corespunda semnalului analogic de intrare. Iesirile sunt inversul celuilalt. Modulatia AD nu are continut semnificativ de comutare în modul comun în iesire .Cu toate acestea, exista o tensiune DC în mod comun, datorita valorii medii a comutarii PWM. pentru ca ambele parti ale încarcaturii vad acest nivel de tensiune continua, nu contribuie la disiparea puterii pe sarcina. Aceasta tensiune continua este egala cu PVDD / 2, sau jumatate din tensiunea de alimentare.

 

   

Deoarece forma de unda de comutare este aproape în totalitate diferentiala, o sarcina conectata vede forma de unda completa de comutare. Fara semnal, amplificatorul comuta la frecventa nominala PWM cu un ciclu de functionare de 50% pe sarcina. Acest lucru determina o scurgere semnificativa a curentului si puterii în sarcina.Un filtru LC este necesar pentru a reduce curentul la o mica unda reziduala pentru o eficienta buna.În general, cu cât curentul de ondulare este mai mic pentru un amplificator clasa D de modulare AD, cu atât este mai buna eficienta datoratala reducerea disiparii sarcinii si pierderea redusa I2R pe RDS (pornit) a FET-urilor de iesire.

   Modulare BD sau level3

Tehnica de comutare a modulatiei BD moduleaza ciclul de functionare al diferentei semnalelor de iesire astfel încât continutul sau mediu sa corespunda semnalului analogic de intrare. Iesirile sunt unul inversul celuilalt. Modulatia D are continut semnificativ în modul comun în iesire.

  

  La modulatia AD sunt 2 nivele si la BD 3nivele si deasemenea se foloseste si modulatia multilevel pe care o voi descrie in urmatoarea postare.

Traducerea este dupa articolul slaa701a.pdf de la Texas Instruments.

    https://www.ti.com/lit/an/slaa701a/slaa701a.pdf?ts=1602336372716&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.google.com%2F

@gsabac

   

 

 

 

Editat Octombrie 10, 2020 de gsabac

[gsabac]

Articolul complet si deci continuarea este la adresa:  http://www.iaeng.org/publication/WCECS2015/WCECS2015_pp7-11.pdf

 

Această lucrare descrie un nou concept de amplificator de comutare pe mai multe niveluri, care vizează o eficiență sporită a puterii pentru semnalele analogice cu un factor de creastă foarte ridicat. Câmpurile de aplicații interesante includ amplificatoare de putere audio sau drivere de linie în echipamentele ADSL și VDSL din biroul central. Calculele dovedesc eficiența sa superioară a puterii în comparație cu amplificatoarele convenționale de comutare clasa-D, precum și amplificatoarele liniare de clasă AB și clasa G.  O implementare pe siliciu a unui cip driver de linie VDSL cu comutare pe mai multe niveluri este în prezent în desfășurare.

Amplificatoarele liniare de clasă AB sunt, fără îndoială, cea mai evidentă alegere atunci când semnalele analogice trebuie tratate cu un grad ridicat de precizie. Există, totuși, anumite aplicații în care aceste amplificatoare liniare de clasă AB suferă de o eficiență energetică foarte slabă datorită factorului de crestă ridicat (definit ca raportul dintre valoarea de vârf și valoarea rms) a semnalului analogic. Exemple tipice sunt semnalele audio sau semnalele ADSL / VDSL, care se comportă în mod normal ca un semnal „zgomotos” cu amplitudine mică cu vârfuri sau rafale sporadice de amplitudine mare. În timp ce tensiunea de alimentare este determinată de partea de amplitudine ridicată a semnalului pentru a păstra puritatea semnalului pe întreaga gamă dinamică, eficiența medie a energiei va depinde în principal de partea de amplitudine mică a semnalului, rezultând valori dezamăgitoare de pierdere de eficienta, de obicei în intervalul de la 45% la 15%. O abordare interesantă pentru a rezolva această problemă este utilizarea în schimb a amplificatoarelor de comutare. Deoarece tranzistoarele de ieșire din amplificatoarele de comutare nu mai acționează ca componente de amplificare liniare, ci doar ca întrerupătoare în stare solidă, eficiența energiei poate fi crescută considerabil. Această lucrare prezintă un tip original de amplificator de comutare, care vizează eficiența maximă a puterii pentru semnalele analogice cu un factor de creștere foarte mare.

 

 

Cel mai cunoscut amplificator de comutare este amplificatorul de clasa D, denumit deseori amplificator de clasa-S. O versiune simplă de bază a unui astfel de amplificator de comutare de clasă D este prezentată în Fig. 1. Semnalul de ieșire binar de înaltă tensiune este readus printr-un atenuator și un filtru trece-jos înainte de a fi comparat cu semnalul de intrare analogic. Comparatorul decide apoi care dintre cele 2 tranzistoare de ieșire ar trebui activate în încercarea de a compensa diferența detectată între semnalul de ieșire retroalimentat și semnalul de intrare analogic. Când bucla de control este proiectată corespunzător, se dovedește că acest circuit se comportă ca un amplificator de comutare auto-oscilant în care semnalul de ieșire binar VPWM reprezintă o aproximare a impulsului cu lățime modulată (PWM) a semnalului de intrare analogic amplificat, în timp ce oscilația frecvența depinde de dinamica buclei, în principal de caracteristicile filtrului de buclă low-pass. Trimiterea acestui semnal de ieșire binar printr-un filtru trece-jos LC cu pierderi mici, având o frecvență de întrerupere mult sub frecvența de comutare, va produce semnalul analogic amplificat dorit în sarcină [1].

 

 FIG 1. BLOCK DIAGRAM OF A SINGLE-ENDED CLASS-AD SWITCHING AMPLIFIER

 

 

Există desigur numeroase variații ale circuitului din Fig. 1. Unele dintre ele sunt sincronizate cu un semnal de ceas cu frecvență fixă în loc să se bazeze pe comportamentul asincron auto-oscilant al amplificatorului din Fig. 1. Alte implementări utilizează o ieșire echilibrată configurație în loc de una cu un singur capăt. Fig. 2 prezintă o alternativă echilibrată la circuitul din Fig. 1, prezentând liniaritate îmbunătățită, deoarece armonicele uniforme ale frecvenței de comutare sunt suprimate foarte eficient într-o arhitectură perfect simetrică. Un alt avantaj al unei configurații echilibrate este că tensiunea de alimentare poate fi redusă la jumătate pentru o amplitudine de semnal dată.

 

 

FIG 2. BLOCK DIAGRAM OF A BALANCED CLASS-BD SWITCHING AMPLIFIER.

 

 

Deși amplificatoarele de comutare din Fig. 1 și Fig. 2 oferă o eficiență energetică excelentă din punct de vedere teoretic, realitatea poate fi destul de diferită. Semnalul de ieșire binar comută constant cu amplitudine mare (între –Vdd și + Vdd în circuitul din Fig. 1 sau între masă și + Vdd în circuitul din Fig. 2), rezultând o componentă puternică de curent de ieșire la frecvența de comutare. . Amplitudinea mare a acestei componente de curent de ieșire, determinată de intrare

impedanța filtrului de trecere scăzut LC cu pierderi mici, va produce o disipare considerabilă a puterii în tranzistoarele de ieșire datorită rezistenței lor la zero, la zero. Pentru semnalele analogice cu un factor de creștere foarte mare, această disipare în tranzistoarele de ieșire poate fi mult mai importantă decât puterea medie a semnalului util în sarcină, producând valori destul de mici ale eficienței energetice. De asemenea, pierderile semnificative de putere dinamică, cauzate de încărcarea și descărcarea continuă a capacităților parazite la frecvență mare de comutare și amplitudine mare de comutare, au un impact negativ asupra eficienței energetice globale. Ambele efecte arată foarte clar că eficiența energetică poate fi îmbunătățită doar prin reducerea amplitudinii semnalului de ieșire de comutare. Cu toate acestea, pentru a menține intervalul dinamic necesar pentru semnalul analogic cu factor de creștere ridicat, nivelurile de comutare ale treptei de ieșire trebuie să fie reglabile la amplitudinea semnalului instantaneu. Circuitul rezultat este un amplificator de comutare pe mai multe niveluri.

Foarte puține exemple de amplificatoare de comutare pe mai multe niveluri pot fi găsite în literatură. Acestea utilizează o arhitectură multi-celulară bazată pe conceptul „baterie zburătoare”, unde bateriile reîncărcabile sau „supercondensatorii” sunt necesare pentru alimentarea conexiunii în serie a mai multor celule de comutare [2]. Spre deosebire de acele modele foarte sofisticate, această lucrare propune o arhitectură alternativă mai puțin complexă, utilizând tensiuni de alimentare fixe în loc de „baterii zburătoare”. O diagramă bloc simplificată a acestui nou amplificator de comutare pe mai multe niveluri este prezentată în Fig. 3. Acest amplificator se bazează, de asemenea, pe principiul auto-oscilant ca și în amplificatorul de comutare de clasă D din Fig. -tapa de ieșire a fost înlocuită de un multiplexor cu 4 intrări, format din 4 comutatoare analogice bidirecționale de înaltă tensiune care pot fi implementate ca dispozitive DMOS simetrice. Acest multiplexor analogic de înaltă tensiune produce o aproximare PWM pe 4 niveluri a semnalului analogic de intrare. Un bloc logic important din circuit decide între care dintre cele 4 nivele de tensiune de alimentare ar trebui să comute multiplexorul pentru a minimiza pierderile de putere. În acest scop, un set de comparatoare monitorizează constant puterea instantanee a semnalului de intrare. Când amplitudinea semnalului este foarte mică, logica deciziei selectează tensiunile de alimentare - a×Vdd și + a×Vdd, fracția a fiind un număr mult mai mic decât 1. Când comparatoarele detectează puterea semnalului, pe de altă parte, logica decizională va pune în acțiune tensiunile de alimentare - Vdd și + Vdd.

FIG 3. BLOCK DIAGRAM OF A MULTI-LEVEL SWITCHING AMPLIFIER.

 

 

Există încă mai multe opțiuni cu privire la funcționarea logicii decizionale. Din punctul de vedere al consumului de energie, strategia de comutare ilustrată în Fig. 4 este, fără îndoială, cea mai bună alegere (pentru valorile tipice de Vdd = 25V, a = 0,2 și un câștig al amplificatorului de 10)

FIG 4. BASIC SWITCHING STRATEGY FOR A MULTI-LEVEL SWITCHING AMPLIFIER.

 

 

În funcție de puterea semnalului, logica de decizie selectează întotdeauna tensiunile de alimentare care duc la o amplitudine minimă de comutare. Există, totuși, un dezavantaj important: atunci când semnalul de intrare trece de unul dintre nivelurile de referință ale comparatorului, raportul de sarcină al semnalului de ieșire de comutare se schimbă brusc de la 0 la 100%, sau invers. Simulările detaliate ale circuitelor au arătat că acest lucru duce la un comportament necorespunzător al buclei auto-oscilante. În consecință, precizia semnalului de ieșire filtrat în sarcină se deteriorează semnificativ. Prin urmare, este recomandabil să utilizați în schimb strategia de comutare îmbunătățită din Fig. 5.

La o putere ridicată a semnalului, amplitudinea de comutare este oarecum mai mare decât în cazul din Fig. 4, oferind o eficiență energetică ușor redusă, dar pentru parametrii circuitului ales raportul de funcționare nu mai lasă intervalul de 25% la 75%, indiferent intrarea instantanee

amplitudinea semnalului poate fi. Bucla de feedback funcționează acum
în mod corespunzător în întregul interval dinamic și, prin urmare,
strategia de comutare din Fig. 5 este cu siguranță cel mai bun compromis
între eficiența energiei și puritatea semnalului.

 

 

FIG 5. IMPROVED SWITCHING STRATEGY FOR A MULTI-LEVEL SWITCHING AMPLIFIER.

 

 

Articolul complet si deci continuarea este la adresa:  http://www.iaeng.org/publication/WCECS2015/WCECS2015_pp7-11.pdf

Dupa aceste prezentari teoretice de pe internet, am sa prezint studii proprii prin simulare pentru amplificatoaare AD si BD, amplificatoare ssi performante cu diverse componente si circuite discrete la diverse sarcini si puteri medii sau mari.

PS. Daca sunt useri care au realizat circuite dupa schema, sunt bineveniti sa le publice in topic pentru noi toti.

Sa ma scuzati daca am greseli tehnice sau de traducere.

@gsabac

 

 

 

 

 

Editat Octombrie 14, 2020 de gsabac

[gsabac]

Dupa modul de generare a semnalului PWM amplificatoarele clasa D pot fi autooscilante sau cu frecventa fixa, cu remarca ca cele autooscilante genereaza mai multe interferente in aparatele de radio. Frecventa de oscilatie poate fi in gama 150-500KHz, la frecvente joase se pot folosi componente comune ieftine, dar spre 500KHz doar componente rapide, chiar tranzistori HEMT si driveri pentru tranzistori HEMT. In general, distorsiunile pot cobora pana la 0,01% frecventa la 3dB poate ajunge la 30KHz iar puterea de iesire poate depasi 2000W.

Pentru inceput unul din cele mai simple amplificatoare clasa D (AD, level 2) Cu LM311 si este de remarcat ca amplificarea depinde direct de tensiunea de alimentare.

  

Scheme autooscilante cu LM311 sunt multe dar principiul de realizare al semnalului PWM este acelasi si este prezentat in poza.

 

Frecventa semnalului de intrare este 10KHz iar puterea maxima de iesire 150W.

@gsabac

Editat Octombrie 19, 2020 de gsabac

[ionut90]

La 19.10.2020 la 12:18, gsabac a spus:

  

Ati testat practic schema de amplificator in clasa D ? Nu are foarte foarte multe piese electronice si pare interesant de reprodus practic. 

[gsabac]

Sunt nenumarate exemple practice si proiecte pe internet, daca sunt studiate, este posibil sa se puna "pata"  pe vreun proiect sau vreo schema care poate fi modernizata dupa cunostintele avute si in final sa iti doresti sa o realizezi, dar finalizarea necesita multa determinare si ceva cunostinte tehnice. si practice.

Pentru amplificatoare clasa D, AD level 2 sau 3, cu frecventa fixa, se folosesc oscilatoare separate tip RC sau sincronizate cu rezonatoare ceramice.

 

 

La frecvente de pana la 100KHz se pot folosi circuite operationale obisnuite si spre 400KHz si peste doar AO rapide. Aceste semnale pot fi simetrice sau asimetrice pe unul din fronturi si sunt folosite pentru compararea cu semnalul de reactie, in scopul crearii semnalului digital de comanda.

@gsabac

Editat Octombrie 23, 2020 de gsabac

[gsabac]

Semnalul de intrare adunat cu semnalul de reactie negativa, se compara cu semnalul generatorului liniar variabil, pentru realizarea semnalului tip AD care apoi este amplificat pana la nivelul apropiat de tensiunile de alimentare. Se poate folosi o schema asemanatoare cu cea din poza.

Graficele rezultate din simulare, punctele In+ si In- pentru intrari si iesirea digitala si analogica la scala 1:50.

 

Dupa cum am mai adus aminte spectrul semnalului de iesire este distribuit pe o gama larga de frecvente si poate ajunge chiar la UUS, o parte este ca in poza de mai jos.

Schema completa este mai jos si trebuie remarcat ca se foloseste un driver de 4A cu frecventa maxima de lucru de 8MHz, dar la numai 280KHz cu tranzistori MOSFET clasici. Cu tranzistori HEMT-GaN frecventa se poate mari si in acest fel se micsoreaza dimensiunile si randamentul si creste puterea de iesire.

@gsabac

Editat Octombrie 26, 2020 de gsabac

[roadrunner]

Quote

Dupa cum am mai adus aminte spectrul semnalului de iesire este distribuit pe o gama larga de frecvente si poate ajunge chiar la UUS, o parte este ca in poza de mai jos.

nu vad in spectrul semnalului nimic in UUS (unde ultra scurte) - la 10Mhz amplitudinea zgomotului e deja foarte mica. (UUS incepe pe la 70Mhz) - majoritatea zgomotului va fi in US (unde scurte)

Zgomotul in spectrograma respectiva are doua componente distincte

1. Armonici ale semnalului de intrare (1 Khz)

2. Armonici ale semnalului PWM de 280 Khz.

Partea a doua de mai sus e cea mai periculoasa pentru ca firele care duc la difuzoare devin antene si vor radia frecventele astea. De aceea filtrul de iesire trebuie facut bine.

nivelul de zgomot arata relativ bine cand la intrare e un un sigur ton (1KHz) dar nu va arata asa bine cand la intrare aveti semnal audio (de banda larga). Din pacate astea sunt limitarile amplificatoarelor PWM.

RR

 

 

 

Editat Octombrie 28, 2020 de roadrunner

[gsabac]

La -100 dB nivelul componentelor spectrale este de 10uV la iesire iar la -120dB de 1uV. Aceste nivele sunt suficient de mari pentru a produce interferente radio la posturile de UUS, fapt reclamat de unii posesori de amplificatoare clasa D de mare putere instalate in masina. As extinde si eu simularea cu tranzistori HEMT GaN care au fronturi mult mai mici decat tranzistorii clasici MOS, dar din pacate simularea dureaza cateva ore si nu se merita, asa ca ma limitez la sesizarile userilor de astfel de sisteme pe automobile.

 Amplificatoarele clasa D BD(level3) cu iesire simetrica se pot construi in mai multe feluri:

1 - Aplicarea unui semnal de intrare defazat cu 180 de grade pe cele 2 canale si o schema cu autooscilatie;

    

2 - Defazajul de 180 de grade poate fi utilizat de la semnalul oscilatorului local pe frecventa fixa, mai complicat deoarece are frecventa mare;

3 - Defazajul este in audio si se foloseste un oscilator cu fronturi liniare comun la ambele canale;

    

   In toate cazurile iesirea pe sarcina se face diferential, pentru obtinerea tipului de modulatie cu 3 nivele. Avantaje, randament mai bun, disipatie pe tranzistorii finali mai mica si radiatii mai scazute.

@gsabac

[roadrunner]

Quote

La -100 dB nivelul componentelor spectrale este de 10uV la iesire iar la -120dB de 1uV. Aceste nivele sunt suficient de mari pentru a produce interferente radio la posturile de UUS

nu sunt de accord cu afirmatia asta din urmatorele motive. -100dB, -120dB nu are relevanta, ce are relevanta este amplitudinea semnalului perturbator fata de nivelul de zgomot (signal to noise ratio)

Aici vorbim de amplitudini de conductie (nu radiate) - incercati sa faceti un emitator care are o sarcina de 4 ohmi (inductiva) si 2 m de fir, si injectati in "antena" asta un nivel de 1uV la 100Mhz si vedeti cat de departe puteti emite la 100Mhz.

O intrebare despre simulare - sarcina e inductiva in simulare? (sarcina ajuta filtrul de iesire ca se opune variatiei rapide a curentului)

RR

Majoritatea problemelor de pe automobil sunt de conductie nu radiate (zgomotul se propaga pe firele de alimentare nu se cupleaza prin antena) - nu mai zic de amplificatorele luate de "pe net" care nu au niciunul certificari pentru emisii de conductie sau radiate. (eu ma lupt zilnic cu certificarile pentru diverse nivele de zgomot industrial/office si de multe ori refacem produsul ca sa fie conform cu normele)

Editat Noiembrie 1, 2020 de roadrunner