Modulac¸ ˜ao ´e definida como sendo o processo no qual a onda portadora so- fre variac¸ ˜oes de alguma caracter´ıstica, de acordo com o sinal que cont ´em a informac¸ ˜ao
(PIRES, 2010). O est ´agio de modulac¸ ˜ao de um amplificador classe D tem uma in-
flu ˆencia muito grande no sistema, visto que ele influencia fundamentalmente a qua- lidade de sa´ıda do amplificador. E o primeiro est ´agio que comp ˜oe o amplificador.´ Qualquer informac¸ ˜ao perdida ou mal modulada neste est ´agio ir ´a criar distorc¸ ˜ao na sa´ıda do equipamento, reduzindo a fidelidade do ´audio de sa´ıda.
Existem muitas t ´ecnicas de modulac¸ ˜ao que podem ser consideradas opc¸ ˜oes na hora de projetar um amplificador de ´audio classe D. As usadas na pr ´atica conden- sam a informac¸ ˜ao do sinal de ´audio em um trem de pulsos, os quais tem sua largura, densidade ou outra caracter´ıstica variada de acordo com a amplitude do ´audio (MO-
REY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008). Entretanto, algumas delas s ˜ao mais vi ´aveis que
em considerac¸ ˜ao esses fatores, tr ˆes t ´ecnicas se sobressaem: • Modulac¸ ˜ao por Largura de Pulso (PWM)
• Modulac¸ ˜ao Delta-Sigma (SDM) • Modulac¸ ˜ao Auto-Oscilante
A Modulac¸ao PWM ´e a mais simples de todas. Consiste na t ´ecnica em que a amplitude do sinal de entrada ´e representada atrav ´es da raz ˜ao c´ıclica do sinal de sa´ıda, sendo geralmente de dois, tr ˆes ou mais n´ıveis. Embora existam muitas ma- neiras de realiz ´a-la, a mais comum ´e gerar um sinal PWM atrav ´es da comparac¸ ˜ao do sinal modulante (sinal de ´audio) com uma onda portadora. Na maiora das vezes a onda portadora ´e uma triangular de alta frequ ˆencia. O resultado da comparac¸ ˜ao ser ´a uma onda quadrada de largura de pulso vari ´avel de dois n´ıveis. A Figura 10 mostra o princ´ıpio b ´asico dessa modulac¸ ˜ao (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008).
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 ✁ 2 ✁ 1 0 1 2 Entrada Triangular 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 1 0 1 2 3 4 5 6 PWM
Figura 10: Modulac¸ ˜ao PWM de 2 n´ıveis. Fonte: Adaptado de (ELIOTT, 2014).
Pode ser visto na Figura 10 que quando o sinal de ´audio possui uma am- plitude maior do que o sinal de refer ˆencia, a sa´ıda ´e um n´ıvel l ´ogico alto e a raz ˜ao c´ıclica do PWM ´e maior por mais tempo. Na situac¸ ˜ao oposta, a sa´ıda ´e um n´ıvel l ´ogico baixo. Isso cria um sinal que representa instantaneamente a amplitude do sinal de entrada anal ´ogico, atrav ´es da largura do pulso no sinal da sa´ıda. Para aplicac¸ ˜ao
2.2 Amplificadores Classe D 32
em ´audio, ´e recomendado que a amplitude da portadora seja maior que a amplitude do sinal modulante, de modo que o ´ındice de modulac¸ ˜ao fique menor que a unidade. Isso ´e importante para obter-se um sinal PWM fiel ao sinal original, sem perdas de informac¸ ˜ao durante a modulac¸ ˜ao (TAVARES, 2010).
No caso da modulac¸ ˜ao de 3 n´ıveis (a qual n ˜ao ´e poss´ıvel de implementar na topologia meia ponte), a comparac¸ ˜ao d ´a-se de maneira um pouco mais elaborada. Para sinais de ´audio maiores que 0, a sa´ıda da comparac¸ ˜ao varia entre n´ıveis alto (+Vcc) e baixo (zero), de forma similar `a descrita na modulac¸ ˜ao de dois n´ıveis, por ´em esse PWM comanda somente o primeiro brac¸o da ponte. O PWM comanda direta- mente a chave superior, enquando o PWM negado comanda a chave inferior. Para sinais de ´audio menores que 0, a comparac¸ ˜ao resulta em n´ıveis de sa´ıda alto (zero) e baixo (-Vcc). Esse sinal juntamente com o seu complemento s ˜ao usados para operar o segundo brac¸o da ponte.
A Figura 11 mostra em resumo as ondas do PWM de 3 n´ıveis.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 −2 −1 0 1 2 Entrada Triangular 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 −6 −4 −2 0 2 4 6 PWM 3 Níveis
Figura 11: Modulac¸ ˜ao PWM de 3 n´ıveis. Fonte: Adaptado de (LEACH, 2001).
Essa modulac¸ ˜ao em 3 n´ıveis permite que as variac¸ ˜oes de tens ˜ao sobre `a chave sejam metade daquelas sofridas na t ´ecnica de 2 n´ıveis; em vez de excursionar entre +Vcc e -Vcca cada comutac¸ ˜ao, o PWM varia entre uma delas e zero. Isso diminui a taxa de variac¸ ˜ao de tens ˜ao necess ´aria `as chaves e aos drivers, al ´em de impor um regime de trabalho mais ameno ao filtro. Isso ajuda muito na hora de projet ´a-
lo, permitindo o uso de um esquema de demodulac¸ ˜ao menos complexo. O espectro harm ˆonico obtido dessa modulac¸ ˜ao tamb ´em ´e uma vantagem, pois as componentes harm ˆonicas de chaveamento se concentram mais distante banda de ´audio.
Outra t ´ecnica bastante utilizada ´e a chamada Modulac¸ ˜ao Delta-Sigma (SDM), tamb ´em conhecida como Modulac¸ ˜ao por Densidade de Pulsos (PDM). Esse modo de modular o sinal, j ´a mais complexo que o PWM, apresenta o valor m ´edio do sinal anal ´ogico de ´audio na forma de pulsos em um dado intervalo de tempo. Quanto mais pulsos se concentrarem em um dado per´ıodo, maior a amplitude do sinal. Um ´unico pulso n ˜ao pode determinar a amplitude do sinal por si s ´o, mas sim, uma quantizac¸ ˜ao de pulsos determinada pelo clock. Isso dificulta o aparecimento de erros de modulac¸ ˜ao
(PIRES, 2010).
Essa t ´ecnica de modulac¸ ˜ao requer um circuito que contenha um amplifi- cador operacional e um flip-flop tipo D, al ´em de elementos passivos, como visto na Figura 12. D CLK Q Q Sinal de Clock Saída Modulada R1 C R2 Sinal de Áudio Vcc Vee
Figura 12: Modulac¸ ˜ao Delta-Sigma. Fonte: Adaptado de (SCHWAAB, 2012).
Nesta configurac¸ ˜ao, o amplificador operacional funciona como integrador, inversor e somador. Quanto maior a variac¸ ˜ao da entrada, maior ser ´a a variac¸ ˜ao dos n´ıveis de tens ˜ao na sa´ıda do flip-flop (SCHWAAB, 2012).
Para a modulac¸ ˜ao sigma-delta, a maior parte da energia do chaveamento de alta frequ ˆencia aparece no espectro distribu´ıda ao longo de uma larga faixa de frequ ˆencias, e n ˜ao concentrada em valores m ´ultiplos da frequ ˆencia de chaveamento, como ocorre na modulac¸ ˜ao PWM. Isso d ´a `a modulac¸ ˜ao delta-sigma vantagens sobre o PWM, como por exemplo a filtragem dessas componentes indesej ´aveis (GAALAAS, 2006). Por ´em, essa modulac¸ ˜ao de 1 bit n ˜ao ´e empregada substancialmente em am- plificadores classe D porque esse modulador ´e perfeitamente est ´avel at ´e um n´ıvel de modulac¸ ˜ao de no m ´aximo 50%. Al ´em disso, s ˜ao necess ´arias no m´ınimo 64 amostras
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para quantizac¸ ˜ao, o que tornaria o chaveamento incrivelmente r ´apido, exigindo com- ponentes e circuitos muito mais elaborados, al ´em da perda de efici ˆencia devido as perdas de chaveamento tornarem-se maiores (MOREY; VASUDEVAN; WOLOSCHIN, 2008). Similarmente, existe a modulac¸ ˜ao auto-oscilante. Recentemente esta t ´ecnica passou a ser empregada no desenvolvimenteo de amplificadores. Esse tipo de modulac¸ ˜ao usa uma malha de realimentac¸ ˜ao, cujas caracter´ısitcas determinam a frequ ˆencia do modulador (em vez de um clock ) (GAALAAS, 2006).
Essa modulac¸ ˜ao ´e basicamente uma vers ˜ao anal ´ogica do modulador delta- sigma. A diferenc¸a ´e que em vez de ser usado um flip-flop para gerar o atraso, o sinal de realimentac¸ ˜ao ´e retirado depois das chaves, o que acarreta em um atraso natural do circuito, proveniente do tempo de propagac¸ ˜ao dos circuitos de acionamento e dos tempos de subida e descida das chaves (SCHWAAB, 2012). ´E poss´ıvel obter excelente qualidade de ´audio grac¸as `a realimentac¸ ˜ao. Por outro lado, a frequ ˆencia de chaveamento vari ´avel em func¸ ˜ao do sinal de entrada, torna dif´ıcil fazer o sincronismo com outros circuitos chaveados, conectar o sistema com fontes de ´audio digitais, al ´em da complexidade de sintonizar o filtro demodulador (GAALAAS, 2006).