ADRIAN CASALINI RIGOLI
ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE UM AMPLIFICADOR DE
ÁUDIO CLASSE D
Ijuí 2018
ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE UM AMPLIFICADOR DE
ÁUDIO CLASSE D
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica apresentado como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador(a): Prof. Dr. Maurício de Campos
Ijuí 2018
ANÁLISE E DESENVOLVIMENTO DE UM AMPLIFICADOR DE
ÁUDIO CLASSE D
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelo membro da banca examinadora.
Ijuí, 03 de agosto de 2018
Prof. Dr. Maurício de Campos Doutor pela Universidade Federal de Campina Grande - Orientador Prof. Júlio Cezar Oliveira Bolacell Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica/UNIJUÍ BANCA EXAMINADORA Prof. Dr. Mateus Felzke Schonardie (UNIJUÍ) Doutor pela Universidade Federal de Santa Catarina
Aos meus pais, que sempre estiveram ao meu lado, incentivando e dando todas as condições possíveis para a realização deste curso de graduação.
Ao meu irmão, que sempre esteve por perto, dando todo suporte possível.
Ao meus amigos Guilherme Frantz e João Weber, por toda ajuda durante o período de realização deste trabalho.
Ao orientador deste projeto, que me guiou para o desenvolvimento deste trabalho. À Universidade Regional do Noroeste do Rio Grande do Sul (UNIJUI) por viabilizar a minha graduação.
I love deadlines. I love the whooshing noise they make as they go by.
RIGOLI, Adrian Casalini. Análise e Desenvolvimento de um Amplificador de Áudio Classe D. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018. Este trabalho de conclusão de curso estabelece o estudo e projeto de um amplificador de áudio Classe D, recomendando-o como uma alternativa às demais classes de amplificadores em certas aplicações, devido a sua eficiência. Para tal são abordadas revisões teóricas de amplificadores, e seus componentes, assim como as formas de modulação, tipos de topologia, seleção de componentes e escolha de um filtro de saída, fazendo uma abordagem de toda a construção de um amplificador Classe D. Desta forma, através do projeto teórico, são definidas as características do amplificador, possibilitando a realização de simulações do modelo ideal com o auxílio de softwares computacionais. Enfim, é proposto um protótipo para a validação das etapas projetadas do circuito.
RIGOLI, Adrian Casalini. Análise e Desenvolvimento de um Amplificador de Áudio Classe D. 2018. Trabalho de Conclusão de Curso. Curso de Engenharia Elétrica, Universidade Regional do Noroeste do Estado do Rio Grande do Sul – UNIJUÍ, Ijuí, 2018. This final paper establishes the study and project of a Class D Audio Amplifier, recommending it as an alternative to other classes of amplifiers in certain applications because of its efficiency. For this purpose, theoretical revisions of amplifiers and their components, as well modulation forms, topology types, component selection and the choice of an output filter, are discussed, taking an approach to the whole construction of a Class D Amplifier. Thus, through the theoretical design, the characteristics of the amplifier are defined, enabling the realization of simulations of the ideal model with the aid of computational software. Finally, a prototype is proposed for the validation of the projected stages of the circuit.
Figura 1 - Notação e símbolos usados para a configuração base-comum do TBJ npn 18 Figura 2 - Amplificadores: (a) controlados por corrente e (b) controlados por tensão 19
Figura 3 - Amplificador utilizando três estágios ... 20
Figura 4 - Amplificador utilizando dois estágios ... 21
Figura 5 - Exemplo de amplificador classe A ... 23
Figura 6 - Exemplo de amplificador classe B e distorção de cruzamento ... 24
Figura 7 - Exemplo de amplificador classe AB ... 25
Figura 8 - Diagrama de blocos simplificado do amplificador classe D... 25
Figura 9 - Comparação dos sinais para PWM ... 26
Figura 10 - Gráfico do rendimento do amplificador classe D ... 26
Figura 11 - Modulação PWM ... 29
Figura 12 - Tempo morto ... 32
Figura 13 - Exemplo da Topologia Meia Ponte ... 33
Figura 14 - A curva de impedância de um alto-falante de 8Ω ... 38
Figura 15 - Efeito da carga no filtro ... 38
Figura 16 - Esquemático simplificado da topologia meia ponte ... 40
Figura 17 - Circuito do filtro Butterworth de segunda ordem ... 42
Figura 18 - Onda triangular, onda senoidal de entrada e PWM no Matlab ... 48
Figura 19 - Visão ampla das ondas no Matlab ... 48
Figura 20 - PWM aplicado a saída do modelo do amplificador no Matlab... 49
Figura 21 - Esquemático do amplificador Classe D ideal no PSIM ... 49
Figura 22 - Onda triangular, onda senoidal de entrada e PWM no PSIM ... 50
Figura 23 - Visão ampla das ondas no Matlab no PSIM ... 50
Figura 24 - PWM aplicado a saída do modelo do amplificador no Matlab no PSIM .. 51
Figura 25 - Protótipo do Amplificador Classe D ... 52
Figura 26 - Esquemático do circuito gerador da onda triangular ... 53
Figura 27 - Forma de onda triangular do protótipo ... 53
Figura 28 - Esquemático de inserção do sinal de entrada... 54
Figura 29 - Sinal de entrada filtrado e amplificado do protótipo ... 54
Figura 30 - Esquemático do circuito comparador do protótipo ... 55
Figura 31 - Sinal PWM gerado no protótipo ... 55
Figura 35 - Tempo morto entre os sinais no protótipo ... 57
Figura 36 - Esquemático do circuito do driver do protótipo ... 58
Figura 37 - Esquemático do circuito de saída do protótipo ... 58
Figura 38 - Sinal PWM da saída no protótipo ... 59
Tabela 1 - Parâmetros relevantes do MOSFET ... 36 Tabela 2 - Parâmetros dos modelos de MOSFETs ... 41 Tabela 3 - Medições da eficiência do amplificador ... 60
FET Field-effect Transistor
JFETs Transistores de Efeito de Campo de Junção
MESFET Transistor de Efeito de Campo Metal-semicondutor MOSFET Transistor de Efeito de Campo Metal-óxido-semicondutor NPWM Natural Sampled Pulse Width Modulation
PAM Modulação por Amplitude de Pulso PDM Modulação por Densidade de Pulso PPM Modulação por Posição de Pulso PWM Pulse Width Modulation
SMD Surface Mounting Device TBJ Transistor Bipolar de Junção THD Total Harmonic Distortion
1 INTRODUÇÃO ... 13 1.1 MOTIVAÇÃO ... 14 1.2 Objetivos ... 15 1.2.1 Objetivo Geral ... 15 1.2.2 Objetivos Específicos ... 15 1.2.3 Delimitação ... 15 1.3 Escopo do trabalho ... 15 2 REVISÃO DA LITERATURA ... 17 2.1 AMPLIFICADORES ... 17 2.1.1 A Válvula ... 17
2.1.2 Transistor Bipolar de Junção ... 18
2.1.3 Transistor de Efeito de Campo ... 18
2.2 ESTÁGIOS DE AMPLIFICAÇÃO ... 19 2.2.1 Estágio de Saída ... 22 3 AMPLIFICADORES ... 23 3.1 AMPLIFICADOR CLASSE A ... 23 3.2 AMPLIFICADOR CLASSE B ... 23 3.3 AMPLIFICADOR CLASSE AB ... 24 3.4 AMPLIFICADOR CLASSE D ... 25
4 ESTRUTURA DO AMPLIFICADOR CLASSE D ... 27
4.1 MODULAÇÃO ... 27
4.1.1 PDM Sigma-Delta – Modulação por Densidade de Pulso ... 28
4.1.2 PPM – Modulação por Posição de Pulso ... 28
4.1.3 PWM – Modulação por Largura de Pulso ... 29
4.3.2 Seleção de Transistores ... 35
4.4 FILTRO DE SAÍDA ... 37
5 PROJETO DO AMPLIFICADOR CLASSE D ... 39
5.1 FONTE DE ALIMENTAÇÃO ... 39
5.2 ESTÁGIO DE MODULAÇÃO ... 39
5.3 ESCOLHA DA TOPOLOGIA DE SAÍDA, DRIVER E MOSFET ... 40
5.4 PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA ... 41
5.5 MODELO DO AMPLIFICADOR E SIMULAÇÕES ... 43
5.5.1 Modelo em Espaço de Estados do Amplificador Classe D ... 43
5.5.2 Modelo da Modulação por Largura de Pulso ... 46
5.5.3 Simulação Matlab® ... 47
5.5.4 Simulação PSIM® ... 49
5.5.5 Comparação ... 51
6 MONTAGEM E RESULTADOS ... 52
6.1 FORMA DE ONDA TRIANGULAR ... 52
6.2 SINAL DE ENTRADA ... 54
6.3 SINAL PWM ... 55
6.4 CIRCUITO DO DRIVER E SAÍDA ... 58
6.5 EFICIÊNCIA ... 60
7 CONCLUSÃO ... 61
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1 INTRODUÇÃO
As manifestações artísticas sempre estiveram intrinsecamente ligadas a história humana, podendo ser de caráter estético ou comunicativo, elas representam a realidade humana, devido à essa característica, ela está em constante mudança. As primeiras manifestações de arte que se tem registro, são pinturas rupestres em cavernas, de aproximadamente 40 mil anos atrás, apesar de seu conceito começar a se formar em meados do século XVIII (MARTINS & IMBROISI, 2018).
A música é uma manifestação que agrega diversas formas de arte, através dela um povo pode difundir suas ideias, criando uma identidade cultural. Sua importância se dá pelo seu período histórico datar antes da invenção da escrita. A composição musical metrificada serviu como principal forma de transmitir conhecimento cultural, assim implicando diretamente na organização social e econômica das civilizações através do tempo.
Com o desenvolvimento da escrita que utiliza o alfabeto, a música passar a se tornar um meio cultural separado do objetivo de transmitir o conhecimento das técnicas das civilizações, embora continue fortemente presente nas ritualísticas das religiões. A partir desta separação, a música se torna efetivamente uma manifestação artística, e com isso o desenvolvimento de instrumentos musicais mais refinados passa a ser muito importante, para que seja possível criar maiores variações sonoras, aumentando a complexidade da música, e da construção dos instrumentos (MARTINS & IMBROISI, 2018).
A evolução constante da música, e dos instrumentos musicais, tangencia a própria tecnologia da humanidade ao decorrer do tempo. Com isso, a necessidade de se aplicar tecnologias, a fim de aprimorar e obter sonoridades diferentes do tradicional, assim a eletroeletrônica passa a integrar a arte da música. Esse avanço se torna necessário, pois a música deixa de ser uma cultura de nicho, e passa a ser apreciada por grandes públicos das mais diversas culturas em ambientes maiores, implicando na necessidade de criação de meios para que os instrumentos fossem audíveis em altos níveis de volume. Desta forma a inserção de novas tecnologias se torna imprescindível, para viabilizar as evoluções necessárias para atender as novas demandas de nossa sociedade.
A eletroeletrônica, através da inserção dos equipamentos eletrônicos, tem papel fundamental, possibilitando transformar a energia mecânica dos sinais sonoros, em sinais
elétricos, e então amplificar esses sinais, propiciando para guitarras, contrabaixos, e até mesmo a voz, através do microfone, alcançar níveis de volume mais abrangentes. Um dos pontos importantes que criaram esse elo entre eletrônica e música, foi a invenção da guitarra elétrica em 1937, e os kits para guitarras havaianas. Um pouco mais a frente deste período do tempo, começam a surgir os amplificadores feitos especificamente para guitarra elétrica, produzidos pela Fender, e assim eles vão influenciando diretamente nos estilos musicais até os dias atuais.
Os primeiros amplificadores, os valvulados, eles são preferência entre a maioria dos músicos até hoje, devido ao seu timbre e características únicas. O seu projeto e execução permanece intacto até os dias de hoje, utilizando componentes que podem ser considerados relíquias. Apesar do amplificador valvulado continuar como um célebre integrante no meio musical, a eletrônica seguiu se desenvolvendo, e encontrando novas formas de se projetar e construir amplificadores (FONSECA, 2013).
A partir da década de 60, surgiu na eletrônica a elaboração de circuitos transistorizados, que foram capazes de superar a faixa de potência alcançada pelos amplificadores valvulados. Outrossim, foi possível desenvolver topologias, que anteriormente, com as válvulas, não seriam possíveis, devido às limitações físicas.
1.1 MOTIVAÇÃO
Atualmente, a indústria e os consumidores, possuem uma definição de um padrão ideal: alta potência, som nítido, menor aquecimento, baixo peso e uma confiabilidade maior, juntamente de um custo por watt inferior aos valvulados. Deste então, estas características vêm sendo aprimoradas até hoje, através da exploração de diversas classes de amplificação. Com esta condição, os amplificadores classe D estão em constante aperfeiçoamento, e se mostram como uma classe que apresenta alta eficiência, mesmo tendo participado de forma mais tímida nesse mercado. Entretanto, eles vêm sendo bastante utilizados para aplicações de alta-fidelidade e devem crescer mais dentro do mercado de áudio no decorrer dos próximos anos. Deste modo, faz-se necessário um estudo acerca do desempenho do amplificador classe D, analisando suas características, através de métodos matemáticos e simulações, de maneira a possibilitar avanços cruciais na área de eletrônica e áudio.
______________________________________________________________________________ 1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
O objetivo deste trabalho consiste na análise e no desenvolvimento de um amplificador classe D para uso com guitarra elétrica, e um alto rendimento no estágio de amplificação, de forma a propor um projeto que apresente a melhor eficiência.
1.2.2 Objetivos Específicos
De forma a atingir o objetivo principal deste trabalho, foram estabelecidos pontos importantes, como a análise das características e desempenho do amplificador classe D, tipos de modulação, topologias. Desta forma, poderá ser estudado o projeto, e a implementação do amplificador.
1.2.3 Delimitação
Desenvolver o protótipo do amplificador classe D para sinais de áudio, que com a potência de 50 Watts, é forte o suficiente para ser utilizado em um concerto, enquanto mantém uma eficiência de 90%.
1.3 ESCOPO DO TRABALHO
Este trabalho está organizado de forma que o capítulo 2 traz o embasamento teórico necessário para o entendimento do conceito de amplificação e os componentes eletrônicos responsáveis pela mesma. Por fim, o estudo foca nos estágios de saída de amplificadores, elucidando o funcionamento das etapas
O capítulo 3 apresenta as classes de amplificação e a evolução das mesmas. Inicialmente, apresenta-se a Classe A, percorrendo até a Classe D, demonstrando os modos que seus transistores operam.
No capítulo 4 o estudo do amplificador Classe D é aprofundado. Iniciando com as formas de modulação, especificações de componentes, topologias e por fim, o filtro de saída. Definindo todos os pontos importantes a serem observados.
O capítulo 5 contém todo o projeto de um amplificador classe D, partindo das definições dos componentes a serem utilizados, até a modelagem matemática, e a partir disso são realizadas simulações em aplicativos computacionais.
No capítulo 6 são expostos resultados da montagem do protótipo físico do amplificador classe D, de forma a validar os dados obtidos nas simulações, e a implementação dos componentes definidos no capítulo anterior.
Por derradeiro, no capítulo 7, as conclusões sobre o estudo são realizadas. Através das mesmas, é possível propor sugestões para trabalhos futuros.
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2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capítulo será realizada uma breve revisão da literatura na qual aparecem os principais dispositivos que compõem os amplificadores transistorizados e suas características. 2.1 AMPLIFICADORES
De forma resumida, um amplificador é um dispositivo que produz em sua saída uma replicação amplificada do sinal inserido na sua entrada, podendo ser esse sinal uma tensão, corrente ou potência. O dispositivo recebe um sinal de algum transdutor, ou de outra fonte, e na saída fornece uma versão com volume maior desse sinal para um dispositivo de saída, ou para outro estágio de amplificação.
Os sinais provenientes de transdutores, em grande parte, são definidos pela geração de pequenas grandezas, por isso se torna fundamental que esses sinais sejam amplificados, para que acione um dispositivo de saída.
Geralmente as características que definem um amplificador são a eficácia de potência do circuito, o casamento da impedância com o dispositivo na sua saída e a máxima potência que o circuito tem capacidade de fornecer. Na maioria das vezes, os amplificadores são classificados por classes, que indicam quanto o sinal de saída varia, sobre um ciclo de operação completo do sinal da entrada, e então com o surgimento dos transistores no final da década de 1940, a eletrônica é revolucionada (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012).
2.1.1 A Válvula
Na metade do século XIX, surgiram as válvulas termiônicas em sistemas de radiofrequência, a partir da descoberta do chamado Efeito Termiônico, e por consequência disso, no início do século XX, surgiram os primeiros amplificadores valvulados.
A aplicação da válvula termiônica se tornou bastante popular na área da eletrônica, pois possibilitava o controle do fluxo de elétrons, a partir de uma segunda grandeza elétrica, então
possibilitando o gerenciamento da direção e fluxo de corrente em um circuito, através de níveis de tensão que atuavam entre si (FONSECA, 2013).
2.1.2 Transistor Bipolar de Junção
Em meados da década de 70, logo após chegada dos transistores, os amplificadores transistorizados, também conhecidos como amplificadores de estado sólido (do inglês, solid state), começaram a se tornar populares. A utilização de transistores é muito comum na eletrônica, sua invenção pode ser considerada uma das maiores descobertas da história moderna (CORALES, 2014).
Através do transistor foi possível substituir a válvula termiônica, era menor e mais leve, não necessitava de aquecimento, nem apresentava perda por aquecimento, possuía uma estrutura robusta, era mais eficiente porque absorvia menos potência, consumindo menos energia, funcionava com tensões mais baixas de operação. Os transistores são dispositivos que possuem três terminais com três camadas semicondutoras, onde uma delas é bem menos espessa que as demais. Suas camadas das extremidades são de material do tipo n ou do tipo p, e a camada interna sempre o oposto das internas, como pode ser visto na Figura 1 (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012).
Figura 1 - Notação e símbolos usados para a configuração base-comum do TBJ npn
Fonte: (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012)
2.1.3 Transistor de Efeito de Campo
O transistor de efeito de campo (FET, do inglês field-effect transistor) é um exemplo de transistor unipolar, ele possui três terminais, e é utilizado em diversas aplicações que são muito
______________________________________________________________________________ parecidas com as do transistor bipolar de junção, apesar de existirem muitas características que diferem de forma relevante, entre os dois dispositivos, existem também muitos pontos que se assemelham (MALVINO, 1997).
O transistor bipolar de junção é um dispositivo que é controlado por corrente, enquanto o transistor de efeito de campo é controlado através de tensão, conforme a Figura 2. Nos dois tipos de dispositivo a corrente do circuito de saída é controlada por um parâmetro do circuito de entrada, em um tipo é valor de corrente, e no outro tipo, a tensão aplicada (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012).
Existem três tipos de transistores de efeito de campo: os JFETs (transistores de efeito de campo de junção), MOSFET (transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor) e MESFETs (transistores de efeito de campo metal-semicondutor). Os MOSFETs possuem duas subdivisões: de depleção e de intensificação, esses termos caracterizam suas operações básicas (MALVINO, 1997).
Figura 2 - Amplificadores: (a) controlados por corrente e (b) controlados por tensão
Fonte: (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012)
2.2 ESTÁGIOS DE AMPLIFICAÇÃO
Os sinais que resultam da captação de ondas sonoras de microfones, ou outro tipo de transdutores elétricos, apresentam valores muito baixos de tensão. Existem dois níveis de tensão, que podem ser discutidos em pequenos sinais de áudio. O nível de instrumento é o primeiro, ele está na casa de dezenas de milivolts (mV), que o sinal obtido de transdutores, como dito
anteriormente. O segundo sinal é o nível de linha, com um valor normalizado de tensão de 0,775V eficazes, o que corresponde a uma potência de 1mW, que é aplicada em uma carga resistiva de 600Ω. A partir disto, apresentam-se inicialmente diferentes etapas de amplificação (BALLOU, 2013).
O amplificador que eleva o sinal de entrada, proveniente de instrumento, para o nível de linha e o condiciona, é denominado pré-amplificador. Ele realiza essencialmente três funções dentro do amplificador de áudio, inicialmente, a amplificação de tensão do sinal, o controle de frequência, e a acoplagem com o estágio de potência. Esta etapa pode apresentar circuitos, que tem a finalidade de multiplicar o ganho o sinal que está sendo gerenciado, contudo este ganho é limitado pela tensão de alimentação. É possível também, amplificar e gerenciar frequências que são pré-definidas, através de filtros. De forma geral, são encontradas topologias de filtros RC neste estágio, pois a escolha da frequência se torna possível com a variação da resistência de potenciômetro. O segundo estágio é responsável por elevar a tensão e nível de linha, a uma potência suficiente, para que possa ser ligada em alto-falantes (FONSECA, 2013) (PIRES, 2010). Geralmente, os amplificadores utilizados para o áudio, são constituídos por três estágios de amplificação, estes estágios estão organizados conforme o esquema da Figura 3.
Figura 3 - Amplificador utilizando três estágios
______________________________________________________________________________ O estágio inicial tem como base um amplificador de transcondutância, isto é, possui uma entrada em tensão e saída em corrente, que é composto por um arranjo de par diferencial. O par diferencial tem como vantagem principal a verificação de uma grande rejeição do modo comum, ou seja, somente os sinais diferenciais que são aplicados a ele serão amplificados. No segundo estágio é baseado no estágio de transimpedância, onde a entrada é em corrente, e sua saída em tensão. Sua composição se dá por um arranjo de emissor comum. No terceiro estágio está o arranjo do tipo push-pull (PIRES, 2010).
Outro tipo de arquitetura é a de dois estágios, na qual os estágios 2 e 3, são mesclados, conforme Figura 4.
Figura 4 - Amplificador utilizando dois estágios
Fonte: (SELF, 2009)
As topologias dos amplificadores constituem o último estágio, onde é definida a classe de amplificação. Neste estágio é necessário que ele possua algumas características, como:
baixa impedância de saída, fazendo com que a tensão aplicada à impedância da carga seja aumentada;
fornecer corrente necessária para que a carga seja alimentada com a potência desejada;
não inserir ruído no sinal que está sendo amplificado. 2.2.1 Estágio de Saída
Este é o último estágio da amplificação, tem como função principal, fazer o acoplamento com uma resistência de saída baixa, fazendo com que os estágios de amplificação consigam fornecer na saída um sinal para a carga sem perdas.
A linearidade de resposta tem suma importância, para que o projeto alcance uma grande qualidade, ela se dá em função da distorção harmônica total, THD (do inglês, Total Harmonic Distortion). A THD é valor eficaz dos componentes harmônicos do sinal de saída, excluído da fundamental, e é expresso como uma porcentagem (SEDRA & SMITH, 2000).
Para que um amplificador de potência possua alta fidelidade, ele deverá apresentar uma distorção harmônica total de no máximo 1%. No projeto do amplificador, o estágio de saída deve fornecer uma quantidade de potência exigida pela carga, ou seja, a potência dissipada em forma de calor nos transistores deste estágio deve ser a menor possível, pois ao dissipar muita potência, o transistor aumenta sua temperatura de junção, e ele irá falhar, caso ultrapasse a sua temperatura máxima de funcionamento.
O amplificador de potência tem sua classificação dada através da sua configuração utilizada no seu estágio final, e é organizado de diversas formas, e tem como exemplo as classes A, B, AB, D, e muitas outras.
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3 AMPLIFICADORES
Os amplificadores de potência são classificados conforme o modo que seus transistores que estão no estágio final operam. A classificação demonstra claramente a evolução dos amplificadores.
3.1 AMPLIFICADOR CLASSE A
Esta é a classe de amplificação com a característica mais linear, desta forma ela apresenta menores valores de distorção, e a possui a menor eficiência dentre as classes de amplificação, com rendimento variando entre 25% e 50%. Isto é devido ao fato de que a polarização de corrente contínua se mantém na metade da tensão da fonte, consequentemente utilizando muita potência, para simplesmente manter a polarização, mesmo que não possua sinal na entrada, o esquema básico do amplificador é ilustrado na Figura 5 (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012).
Figura 5 - Exemplo de amplificador classe A
Fonte: (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012)
3.2 AMPLIFICADOR CLASSE B
Este circuito fornece um sinal de saída que varia sobre metade do ciclo de entrada, ou 180º de sinal. Isto se dá devido a polarização de corrente contínua estar em 0V, fazendo com que a saída varie a partir deste ponto, a Figura 6 exemplifica esta característica. Para o seu devido funcionamento, é necessário um dispositivo que amplifique o semiciclo positivo da onda, e outro
para amplificar o semiciclo negativo, na configuração push-pull. Assim, quando somados ambos os ciclos, é obtida a reconstituição da onda (BORTONI, 2007).
Esta classe possui boa eficiência, chegando a atingir 78,5%, mas com baixa linearidade e alta faixa de distorção.
Figura 6 - Exemplo de amplificador classe B e distorção de cruzamento
Fonte: (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012)
3.3 AMPLIFICADOR CLASSE AB
A classe de amplificação AB, é a que mescla os fatores presentes nas topologias classe A e classe B. Seu sistema é o push-pull, como na classe B. O valor de polarização de corrente contínua deum dispositivo pode estar acima do valor da corrente zero de base de um amplificador classe B, da mesma forma que pode encontra-se acima da metade do valor da alimentação de um amplificador classe A. Esse tipo de polarização garante que cada componente presente no sistema push-pull conduza por um ciclo entre 180º e 360º. Esta propriedade reduz a distorção de cruzamento presente em amplificador classe B, e também melhora a baixa eficiência que integra o amplificador classe A (BOYLESTAD & NASHELSKY, 2012). Esta configuração é demonstrada na Figura 7.
Como os transistores do sistema push-pull conduzem por mais do que 180º, a classe de amplificação AB possui um rendimento inferior aos amplificadores classe B, variando entra 50% e 70%. Essa mistura de características, como a fidelidade do sinal, proveniente do amplificador classe A, com a eficiência presente no amplificador classe B, possibilitou que o amplificador classe AB dominasse de forma abrangente o mercado de amplificadores destinados ao áudio (MUNZ & DELLASALA, 2014).
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Figura 7 - Exemplo de amplificador classe AB
Fonte: (ELECTRONICS TUTORIALS, 2014)
3.4 AMPLIFICADOR CLASSE D
Esta classe de amplificação, o sinal é processado por um bloco que é responsável por gerar uma modulação de largura de pulso (PWM, do inglês pulse width modulation), essa modulação resulta da comparação entre a entrada e uma onda triangular, conforme Figura 9. O PWM apresenta-se como um trem de pulsos com amplitude e frequência constantes, conservando a informação do sinal na largura dos pulsos. Então este sinal é amplificado, e no estágio final, passa por um filtro, que retira a componente de alta frequência, para reconstituir o sinal, conforme Figura 8 (BORTONI, 2007; MUNZ & DELLASALA, 2014).
Figura 8 - Diagrama de blocos simplificado do amplificador classe D
Figura 9 - Comparação dos sinais para PWM
Fonte: (PIRES, 2010)
A classe de amplificação D, apresenta um rendimento muito alto, próximo à 90%, conforme a Figura 10, mas não possui a qualidade de baixa distorção, presente em amplificadores contínuos classes A e AB, variando de acordo com projetos (BORTONI, 2007).
Figura 10 - Gráfico do rendimento do amplificador classe D
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4 ESTRUTURA DO AMPLIFICADOR CLASSE D
Dada a história dos amplificadores, o amplificador classe D é um dos que se encontra mais próximo da atualidade, e que possui a finalidade de funcionar com alta eficiência. Este amplificador possuía algumas limitações, as quais dificultam a utilização desta topologia em aplicações com áudio. Fazendo com que esta classe fosse utilizada por um longo período em aplicações, como o controle de motores, onde o sinal de saída não necessita de uma qualidade elevada como em aplicações de áudio. Recentemente, a tecnologia empregada na amplificação classe D evoluiu o suficiente para permitir que ela seja utilizada para amplificar sinais de áudio de forma precisa e limpa. Muitas vantagens são encontradas na utilização de amplificadores classe D para aplicações em áudio, e muitas das suas desvantagens estão diminuindo com o avanço da tecnologia (MOREY, VASUDEVAN, & WOLOSCHIN, 2008).
Neste capítulo a estrutura de um amplificador classe D será discutida, apresentando os seus parâmetros e os componentes importantes.
4.1 MODULAÇÃO
A modulação é um processo que variação periódica da forma de onda através do uso de outro sinal. O amplificadores classe D tem a modulação como um dos principais fatores influenciadores do sinal de saída, por isso vários métodos de modulação de pulso são utilizados para facilitar a obtenção de uma alta eficiência. Qualquer perda de informações do sinal original durante o processo de modulação, seja devido a atenuação ou pela inserção de ruídos excessivos, acarretará em distorções no sinal de saída, afetando, consequentemente, a qualidade sonora (MOREY, VASUDEVAN, & WOLOSCHIN, 2008).
Dos diversos métodos de modulação a serem consideradas para a utilização em amplificadores classe D, quatro podem ser destacados: a modulação por amplitude de pulso (PAM), modulação por densidade de pulso (PDM), modulação por posição de pulso (PPM) e a mais popular, a modulação por largura de pulso (PWM). A modulação PAM possui alguns problemas quanto a precisão do sinal e a PPM quanto aos níveis requeridos de amplitude de pulso, que tem como consequência uma eficiência baixa, nível de complexidade elevado e desempenho de áudio comprometido. Com essas duas possibilidades deixadas de lado, os
métodos PDM e PWM apresentam relevância para a obtenção de resultados admissíveis (NIELSEN, 1998). O sinal da modulação PDM é codificado através do processo de modulação delta-sigma (COX, DURST, & SILVIA, 2008).
4.1.1 PDM Sigma-Delta – Modulação por Densidade de Pulso
A modulação PDM Sigma-Delta é uma das técnicas de modulação mais eficientes encontradas atualmente, ela tem como objetivo alcançar maior eficiência de transmissão, transmitindo apenas as alterações (delta) em valor entre amostras consecutivas, ao invés das próprias amostras (LOLOEE, 2013). O modulador utiliza um quantizador de baixa resolução, que é normalmente de 1-bit, para produzir um sinal digital a partir do sinal de entrada. O filtro utilizado no modulador é um passa-alta, que remove o ruído de quantização das frequências baixas e as transfere para frequências altas, e o ruído de quantização das frequências altas pode ser eliminado com a utilização de um filtro passa-baixa (NORSWORTHY, SCHREIER, & TEMES, 1997).
Os moduladores Sigma-Delta podem ser classificados em síncronos, assíncronos, na implementação da etapa de conversão analógico-digital (A/D). Nos síncronos a conversão A/D é realizada através de um elemento comparador síncrono em que a conversão é sobreamostrada. Nos assíncronos a conversão ocorre através de um comparador de histerese, o Schmitt-trigger, que não necessita de sincronismo.
4.1.2 PPM – Modulação por Posição de Pulso
A modulação por posição de pulso possui pulsos com formatos iguais, independentes da profundidade da modulação. É uma característica interessante, pois um pulso uniforme é reproduzido mais facilmente com um estágio de potência mais simplificado.
Este tipo de modulação necessita de uma alimentação razoável. A tensão da fonte de alimentação do estágio de chaveamento necessita ser muito superior à tensão da carga. Com isso, a sua performance fica abaixo do esperado, aumentando a complexidade, e de certa forma, terá efeito direto em sua eficiência, comprometendo significativamente seu desempenho com sinais de áudio, devido a estas características, esta é uma modulação não muito usual no contexto de amplificadores de áudio.
______________________________________________________________________________ 4.1.3 PWM – Modulação por Largura de Pulso
A modulação por largura de pulso utiliza uma onda quadrada que é modulada baseada no valor médio do sinal de entrada. É a técnica de modulação mais popular, muito utilizada em inversores e outros conversores estáticos. A forma mais simples de gerá-la é comparar o sinal analógico de entrada (moduladora), com uma onda dente de serra ou uma onda triangular (portadora) com frequência de no mínimo o dobro do sinal de entrada, de acordo com o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon. O sinal de saída resulta em um sinal digital que possui um nível lógico alto sempre que o sinal analógico é maior do que a onda triangular, e um nível lógico baixo quando o oposto ocorre. Isso produz um sinal com uma razão cíclica que representa a tensão instantânea do sinal analógico de entrada (MOREY, VASUDEVAN, & WOLOSCHIN, 2008; PIRES, 2010). O processo descrito é representado pela Figura 11.
Figura 11 - Modulação PWM
Fonte: Adaptado de (SOMERS, 2001)
A modulação por frequência de pulso é tradicionalmente classificada em dois tipos, dependendo da natureza do sinal de entrada: PWM de amostragem natural (NPWM, do inglês, natural sampled PWM) e PWM de amostragem uniforme (UPWM, do inglês, uniform sampled PWM). No NPWM ainda existem diferenças entre os números de níveis de modulação (dois ou três) e as saídas moduladas. Esses diferentes modos de operação também podem ser combinados, produzindo resultados distintos (WALKER, 2003).
A onda triangular funciona como um clock de amostragem. A razão cíclica resultante da onda quadrada é proporcional ao nível de tensão do sinal de entrada. Quando não há sinal de
entrada, a razão cíclica da saída é igual a 50% (ANDERSKOUV, NIELSEN, & ANDERSEN, 1996).
A utilização deste tipo de modulação é muito popular, devido, principalmente, a sua frequência fixa de chaveamento. Amplificadores classe D que utilizam este tipo de modulação em seu chaveamento, podem ser divididos em dois tipos: modulação AD (Classe AD) e modulação BD (Classe BD) (COX, YU, & GOH, 2013; MARTIN, 1970).
O sinal PWM para a modulação AD adota somente dois valores, o positivo e negativo da fonte de alimentação. Na modulação BD, o sinal PWM da modulação BD assume três valores, o positivo e negativo da fonte de alimentação e o terra. A modulação AD é associada a amplificadores single-ended (quando um dos terminais de saída porta o sinal amplificado, e o outro, o terra). Enquanto a modulação BD é associada a amplificadores com saída diferencial.
A modulação AD é uma técnica mais comumente utilizada, pois emprega filtro LC passa-baixa para atenuar o sinal fora do espectro de audição e a energia excedente proveniente de picos de tensão. Na modulação BD a onda portadora está em fase nas duas metades da ponte de saída, no entanto a onda modulante com fase oposta, a soma desses sinais resulta em uma saída diferencial. As componentes harmônicas que derivam da onda portadora, se encontram com o dobro da frequência de chaveamento.
A topologia BD está se popularizando em aplicações de dispositivos móveis, onde a utilização de um filtro de saída é desconsiderada, devido a minimização das correntes de chaveamento, fazendo com que o alto-falante se comporte como um filtro. (KINYUA, WANG, & SOENEN, 2014). Sem as perdas por indução, como no caso do AD, a margem de eficiência aumenta significativamente. Porém, a interferência eletromagnética inerente é direcionada ao alto-falante.
Apesar da simplicidade, amplamente usados comercialmente, os sistemas PWM podem apresentar restrições. O sinal PWM é normalmente demodulado com a utilização de um filtro passa-baixa. O sinal possui um relação sinal-ruído mais alta do que outros tipos de modulação, porém com uma grande quantidade de ruído de alta amplitude em vários trechos estreitos de bandas de frequência. Esta característica afeta diretamente na remoção do ruído, se este ruído tivesse uma distribuição uniforme em um número de frequências, mesmo com uma energia igual
______________________________________________________________________________ ou maior ao sinal, a remoção ruído seria muito mais simples (MOREY, VASUDEVAN, & WOLOSCHIN, 2008).
As modificações nestes sistemas podem ser complicadas, quando a teoria e a prática diferirem na implementação do sistema. Se for imprescindível a modificação da frequência ou amplitude do sinal, é necessária adicionar um feedback ao sistema para modificar a resposta do modulador. Com a flexibilidade para modificações, através da implementação de um feedback, surgem várias bandas de frequência com ruídos de alta amplitude em baixas frequências, próximas das contidas no sinal analógico de entrada. Esse fator aumenta a complexidade dos filtros utilizados para a demodulação (MAXIM INTEGRATED, 2007).
4.2 DRIVER
O circuito de driver tem como função o acionamento dos transistores. Ele deve fornecer a corrente necessária para carregar as capacitâncias internas do MOSFET com uma velocidade capaz de carregá-las dentro de um tempo estipulado (PIRES, 2010). Na maioria dos projetos realizados por diversos autores, são utilizados circuito integrados como drivers, alguns destes componentes possuem configurações que possibilitam o ajuste do tempo morto em valores pré-definidos, viabilizando um controle de maior precisão da distorção harmônica (MOREY, VASUDEVAN, & WOLOSCHIN, 2008).
Um dos desafios no projeto de drivers para circuitos em amplificadores classe D é manter um tempo morto no chaveamento, este conceito se refere ao período que ocorre durante a transição do chaveamento, momento em que os transistores estão em modo de corte. O tempo morto necessita ser o mais curto possível, para manter um sinal de saída de baixa distorção, preservando a qualidade sonora. Quando o tempo morto é curto demais, o transistor que está sendo aberto, começa a conduzir antes do transistor que está conduzindo fechar, uma condição conhecida como “shoot-through”. A Figura 12 exemplifica o conceito de tempo morto, demonstrando uma comparação entre o chaveamento ideal e o real.
O fenômeno shoot-through é caracterizado por um curto-circuito de braço, que ocorre na maioria das situações devido a um atraso no comando das chaves, fazendo com que uma chave feche antes que a outra abra. Uma forma interessante de evitar problemas parecidos, é a utilização de circuito integrados de drivers fabricados pelo mesmo fabricante dos transistores, pois os
componentes são projetados para trabalhar em conjunto (MOREY, VASUDEVAN, & WOLOSCHIN, 2008; BERTOLDI, 2016).
Figura 12 - Tempo morto
Fonte: Autoria própria
Além disso, o driver necessita operar em frequências acima de 200kHz, minimizando o tempo que o transistor fica em modo linear, desta forma o ruído proveniente do chaveamento é mantido fora do espectro de audição humana, conservando a qualidade de áudio. No estado entre modo de corte e modo de saturação, que o transistor não está totalmente ligado, e nem desligado, existe condução de corrente com uma resistência significativa, o que gera um aquecimento. Falhas em drivers que permitem o fenômeno shoot-through e/ou tempo excessivo na operação em modo linear, causam excessivas perdas e em muitos casos, causando falhas catastróficas nos transistores.
4.3 AMPLIFICAÇÃO
Depois de passar pela etapa de modulação, o sinal deve ser amplificado. O estágio de amplificação é uma etapa muito importante para que o amplificador alcance sua eficiência de 90%. Existem diversas formas de realizar a amplificação de um sinal modulado, porém, a maioria dos amplificadores classe D utilizam a configuração em meia ponte ou em ponte H (ponte completa). Independente da configuração, os componentes principais se mantêm os mesmos, os MOSFETs. Os MOSFETs são chaveados através do driver explanado no capítulo anterior. Os transistores não necessitam operar na região de tríodo, pois estão amplificando um sinal digital, motivo que faz com que o amplificador classe D seja tão eficiente (COX, DURST, & SILVIA, 2008; GAALAAS, 2006).
______________________________________________________________________________ 4.3.1 Topologias
A escolha da topologia a ser utilizada, é um dos passos iniciais no projeto de um amplificador classe D. Essa escolha define como a energia flui do amplificador até a carga, e define como serão os níveis de chaveamento (dois ou três níveis) que podem ser utilizados. As estruturas mais utilizadas atualmente são as topologias em meia ponte e ponte completa. Essas duas topologias são na verdade, conversores CC-CA, que também podem ser operadas como amplificadores (PIRES, 2010).
O conversor CC-CA em meia ponte, também é conhecido como inversor meia ponte. A estrutura é utilizada comumente em aplicações de baixa potência. Devido ao fato do nível de tensão na carga ser duas vezes menor que na estrutura em ponte completa, onde para a mesma potência, a corrente na carga é dobrada (MARTINS & BARBI, 2011).
O sinal PWM modula os dois interruptores, dependendo de sua razão cíclica. Os dois interruptores estão conectados ao positivo e terra da fonte, ou então, positivo e negativo da fonte em aplicações com alimentação com duas fontes. A Figura 13 mostra um exemplo da topologia meia ponte.
Figura 13 - Exemplo da Topologia Meia Ponte
A topologia meia ponte é muita atrativa por muitos motivos. Um dos principais é que neste tipo de configuração é possível conseguir uma eficiência maior que 90% em aplicações de baixa potência, devido principalmente ao fato de possuir baixas perdas no chaveamento. Outro fator que contribui para a sua atratividade, é o espaço ocupado em placas de circuito impresso, que é muito pequeno utilizando dois interruptores. Com uma análise geral, a topologia meia ponte possui custo reduzido para ser produzida, pois necessita somente de dois interruptores e um filtro na sua saída (MAXIM INTEGRATED, 2007).
Mesmo com todas as suas vantagens, a topologia em meia ponte não é uma solução ideal. Devido ao seu chaveamento de dois níveis, quando utilizada com uma fonte de alimentação é verificado o aparecimento de uma tensão DC constante aplicada à carga, que pode ser determinado através do valor de tensão médio da tensão de saída. Esse problema pode ser solucionado através da inserção de capacitores, que servirão para bloquear a tensão DC, protegendo a carga (GAALAAS, 2006). Porém, esta solução provoca um aumento do volume e do custo, além disto eleva a distorção do sinal de saída, devido as propriedades dos capacitores de filtro. No caso da utilização de duas fontes de alimentação, os interruptores devem funcionar em uma razão cíclica de 50%, quando a saída for aproximadamente zero, com a finalidade de atingir um nível médio de tensão zero na carga, característica a qual é referente à modulação em dois níveis, onde o desperdício de energia é maior do que na modulação de três níveis. O fenômeno Bus Pumping também pode ocorrer, devido ao fluxo de potência desta topologia, causando flutuações e picos de tensão (COX, DURST, & SILVIA, 2008).
Na topologia ponte completa, a carga se encontra entre dois pares de interruptores. Com quatro interruptores, é possível utilizar PWM de três níveis, resultando em economia de energia, já que o estágio do driver não necessita permanecer em uma razão cíclica de 50%, quando o sinal de áudio é baixo. Enquanto a eficiência da topologia ponte completa é um pouco inferior à topologia meia ponte para aplicações de alta potência, em aplicações de baixa potência, as duas permanecem muito próximas (MAXIM INTEGRATED, 2007).
Com a implementação de um chaveamento de três níveis, é possível reduzir as perdas de chaveamento comparado à topologia meia ponte. Na topologia em ponte completa também é possível dobrar a variação da tensão de saída em meia ponte quando a sua carga é acionada
______________________________________________________________________________ diferencialmente, o que resulta na possibilidade de teoricamente entregar quatro vezes mais potência usando uma mesma fonte (MAXIM INTEGRATED, 2007).
4.3.2 Seleção de Transistores
Ao escolher entre transistores, é levado em conta principalmente a tensão mínima que os seus terminais devem suportar, a resistência que apresentam quanto estão em condução, a corrente máxima associada, os tempos de comutação para frequência escolhida e sua aproximação de uma chave ideal.
Transistores TBJ tiveram uma grande gama de aplicações ao longo do tempo, principalmente em aplicações com áudio. O comando deles é realizado através de corrente, ela deve se manter constante para que o transistor seja mantido em condução. A corrente pode apresentar valores elevados, o fornecimento constante dessa corrente pode ser um problema para o dispositivo. Outro ponto importante é que o circuito que fornece a corrente na base do transistor, também deve ser capaz de retirá-la, para que o TBJ possa entra em corte de forma rápida (BERTOLDI, 2016; PIRES, 2010).
Enquanto isso, o transistores de efeito de campo (MOSFET), tem seu comando realizado através de tensão. O MOSFET é um dispositivo de alta impedância de entrada, controlado por tensão, capaz de realizar o chaveamento em frequências elevadas, com menor custo e complexidade de implementação do drive se comparado aos TBJs, isso o torna próximo de um transistor ideal (NIELSEN, 1998).
Uma chave ideal tem dois estados que a definem, além da sua comutação instantânea: se torna um curto-circuito quando ligada e uma impedância infinita quando desligada. Atraso na comutação, e a impedância finita dos transistores de potência interferem de forma direta na amplitude dos pulsos modulados, o que gera distorção. Com a escolha adequada do transistor, o atraso na comutação e os efeitos da impedância podem se tornar insignificantes, não comprometendo outras características importantes.
As perdas por condução devem ser compensadas com as perdas no capacitor do gate do MOSFET. Desta forma, é imprescindível escolher uma frequência de comutação que iguale essas perdas, e que fique dentro de uma faixa de valores específica. O aumento da frequência de
comutação não melhora o nível de distorção, e ainda aumenta as perdas de comutação e reduz a proporção de energia, desta forma, o seu valor não deve ultrapassar dez vezes o valor da frequência máxima de áudio (DONDON & MICOULEAU, 1999).
A ressonância em alta frequência que atua entre as indutâncias e capacitâncias parasitas nos transistores também gera um erro no pulso de modulação. Entretanto, esse fator se torna insignificante em comparação a outros erros, dado que a distorção do pulso afeta principalmente o espectro de alta frequência. Apesar disso, este efeito é indesejável e deve ser minimizado através de um projeto apropriado do estágio de potência (NIELSEN, 1998).
Outra análise a ser realizada, é a observação de alguns parâmetros que podem afetar na escolha de um MOSFET adequado. A Tabela 1 descreve de forma resumida todos os parâmetros que necessitam análise prévia.
Tabela 1 - Parâmetros relevantes do MOSFET
Parâmetro Descrição
BVDSS – Drain Source Breakdown Voltage
Tensão máxima entre o dreno e fonte, com a porta conectada a fonte, sem que ocorra uma
ruptura por avalanche. RDS(on)– Static Drain-to-Source
On-Resistance Resistência de condução entre o dreno e a fonte.
Qg– Gate Charge
Carga necessária fornecida a porta, para carregar as suas capacitâncias internas.
Qrr– Base Diode Reverse Recovery Charge
Carga acumulada no diodo do MOSFET quando ele é diretamente polarizado, carga que
necessita ser descarregada antes do bloqueio.
RGint– Internal Gate Resistance
Resistência interna da porta. O valor depende da temperatura, o qual é proporcional ao
aumento da temperatura.
TJ – Junction Temperature
Temperatura máxima de junção. Ajuda a definir o tamanho do dissipador de calor a ser
utilizado.
______________________________________________________________________________ O parâmetro BVDSS deve ser maior que o valor máximo de tensão aplicado aos terminais
dreno e fonte. Porém, o valor não deve ser muito alto, pois valores elevados de BVDSS, acarretam
valores de RDS(on) também elevados, fazendo com que as perdas por comutação aumentem. O
valor de Qg está diretamente ligado à velocidade de comutação, com um valor pequeno, a
velocidade de comutação aumenta, devido a diminuição da corrente necessária para carregaras capacitâncias internas do MOSFET (BERTOLDI, 2016). O Qrr tem efeito na eficiência do
amplificador, e na forma em ele se comporta quanto as interferências eletromagnéticas. Isso ocorre por efeito da sua descarga em cada período de comutação, que gera um acréscimo de corrente. Desta maneira, o Qrr deve possuir um valor baixo, para que as interferências sejam
diminuídas (PIRES, 2010). O parâmetro RGint pode causar aumento nas perdas por comutação,
quando o seu valor for alterado, pois quanto maior o valor, maior o tempo de comutação. 4.4 FILTRO DE SAÍDA
Após o estágio de amplificação, o sinal de saída possui componentes de frequência indesejadas, este filtro tem a função de eliminá-las. Desta forma são eliminadas as altas frequências derivadas da onda portadora, sem prejudicar o ganho e a fase do sinal modulado. Devido a estas características, o filtro que deve ser utilizado é um passa-baixa.
O filtro mais simples para aplicações em áudio é o filtro de segunda ordem com um indutor e um capacitor. Sua resposta será de 12dB por oitava (40dB/década), acima da frequência de corte. A utilização de filtros de saída com frequências de corte com, aproximadamente, uma década abaixo da frequência da onda portadora. Isso fará com que a frequência da onda portadora seja atenuada em 40dB, e 60dB em sua terceira harmônica (BALLOU, 2013).
Para um funcionamento adequado, o filtro de saída depende da impedância correta da carga. Porém, a carga de alto-falantes possui uma característica dinâmica, e isso pode se tornar um problema principalmente em altas frequências, região onde o filtro está agindo, acurva de impedância , pode ser vista na Figura 14. Os alto-falantes podem se tornar indutivos em altas frequências, assim como o cabo que faz a sua condução, o efeito da carga no filtro é demonstrado na Figura 15. Devido a isso, uma rede Zobel pode ser utilizada na saída do filtro, de modo que, em altas frequências, aparece uma carga resistiva. A rede utiliza um resistor de 8ohms juntamente
de um capacitor, muito parecida com redes Zobel utilizadas em amplificadores lineares (BALLOU, 2013).
Figura 14 - A curva de impedância de um alto-falante de 8Ω
Fonte: (PRO SOUND TESTING INC., 2015) Figura 15 - Efeito da carga no filtro
______________________________________________________________________________
5 PROJETO DO AMPLIFICADOR CLASSE D
5.1 FONTE DE ALIMENTAÇÃO
Para o devido funcionamento dos circuitos do amplificador será necessária uma fonte de alimentação. Apesar de possuir um funcionalidade muito simples, ela necessita da devida atenção, pois possui papel fundamental na construção do amplificador (CORDELL, 2011).
Existem diversos tipos de configuração para fontes de alimentação para amplificadores de áudio, as três principais são as fontes lineares não-reguladas, fontes lineares reguladas e as fontes chaveadas. Ao analisar cada configuração, é possível perceber que cada uma possui suas peculiaridades (SELF, 2009). Fontes em qualquer configuração, podem e devem possuir estabilidade e baixo ruído, fornecendo um ótimo desempenho para a saída de áudio de um amplificador.
A fonte linear não-regulada representa a melhor opção em relação ao custo e simplicidade, mas é preciso considerar que ela traz consigo ripple e ruído, que podem vir a interferir na qualidade do áudio de saída. Outro fator é que seus componentes podem deixa-la volumosa e pesada, devido principalmente ao seu transformador. Fontes lineares reguladas tem como principal característica positiva, a eliminação do ripple, porém, isso representa um aumento na complexidade, diminuição da eficiência e confiabilidade, dado que em picos de corrente, a regulação da fonte pode não conseguir suprir a demanda. Por fim, as fontes chaveadas possuem controle da tensão de saída, um alto rendimento e um tamanho reduzido (SELF, 2009). Apesar, destas vantagens, ela exige um circuito muito complexo, que pode diminuir sua confiabilidade e tem uma suscetibilidade a ruídos provenientes do chaveamento (ZHANG, 2013).
5.2 ESTÁGIO DE MODULAÇÃO
Dentre as topologias de modulação explanadas no item 4.1, é possível perceber que modulação por largura de pulso é uma das mais comuns, apresentando e um baixa dissipação de potência. Conforme o teorema de amostragem de Nyquist-Shannon, para que seja possível a reprodução de qualquer sinal, é necessária uma amostragem de no mínimo o dobro da frequência máxima de audição.
A partir destes conceitos, pode-se concluir que um amplificador Classe D deve ser capaz de reproduzir todo espectro de audição, que vai de 20Hz até 20kHz. Assim, para atingir essa faixa é necessária um frequência de comutação entre 200kHz e 400kHz, e então foi definida a modulação PWM para este estágio.
5.3 ESCOLHA DA TOPOLOGIA DE SAÍDA, DRIVER E MOSFET
Para a saída do amplificador foi escolhida a topologia meia ponte, pois apresenta maior simplicidade na implementação do circuito, utilizando um menor número de MOSFETs. Esta topologia também consegue atingir níveis de eficiência maior que 90% para aplicações de baixa potência (COX, DURST, & SILVIA, 2008; MAXIM INTEGRATED, 2007).
A topologia meia ponte também pode ser chamada de “totem pole”, pois os MOSFETs ficaram empilhados um sobre o outro. A configuração a ser utilizada neste caso, é a de dois MOSFETs tipo N, onde um trabalhará o lado alto do sinal de saída, e o outro o sinal inverso. MOSFETs do tipo N possuem melhores características de chaveamento do que os de tipo P, pois a FOM (figura de mérito) dos tipo N, é geralmente menos da metade dos tipo P correspondentes.
Com isso, os estágio de saída empregam dispositivos do tipo N para comutar o lado alto e baixo do sinal de saída, como pode ser visto na Figura 16. A utilização deste tipo de dispositivo requer drivers mais complexos, porém, este é um fator que não preocupante, dado que a maioria dos circuitos integrados encontrados no mercado cuidam da maior parte desta complexidade (CORDELL, 2011).
Figura 16 - Esquemático simplificado da topologia meia ponte
Fonte: (CORDELL, 2011)
Existem inúmeros modelos de MOSFETs no mercado, cada um com suas especificidades. O MOSFET do tipo N ideal para esta aplicação deve possuir um RDS(on) baixo, para que as perdas
______________________________________________________________________________ de chaveamento sejam as menores possíveis. Além desse parâmetros, outros foram considerados para a seleção de alguns modelos, como a facilidade de aquisição, baixo custo e a robustez do encapsulamento. Os modelos selecionados se encontram na tabela, juntamente de alguns de seus parâmetros.
Tabela 2 - Parâmetros dos modelos de MOSFETs
IRFZ24N IRFZ46N IRF540 IRF640
BVDSS[V] 55 55 100 200
ID[A] 17 53 28 18
RDS(on)[mΩ] 70 16,5 77 180
Qg[nC] 20 72 72 70
Qrr[nC] 180 312 2800 7100
Fonte: Autoria própria
Ao analisar a Tabela 2, foi selecionado o MOSFET IRFZ46N, da International Rectifier, pois apresenta a menor resistência de condução RDS(on)e valores baixos de Qg, que o torna o
dispositivo que terá menores perdas.
Para realizar o acionamento dos MOSFETs foi definido o driver IR2010, da International Rectifier, pela facilidade de encontrá-lo no mercado, desta forma os transistores e driver serão do mesmo fabricante, aumentando a confiabilidade do circuito.
5.4 PROJETO DO FILTRO DE SAÍDA
O filtro de saída é o terceiro estágio de um amplificador Classe D, conforme discutido no item 4.4. A natureza do chaveamento do Classe D, faz com que muito ruído seja emitido acima do espectro audível, mesmo que esteja acima do limite máximo de 20kHz da audição humana, ele ainda pode causar problemas. A maior preocupação é a interferência eletromagnética gerada, para que esse problema causado por altas frequências, um filtro passa-baixa é utilizado.
Apesar de uma grande quantidade de filtros existentes, as características do áudio sugerem que seja usado um filtro Butterworth. Este filtro possui uma resposta em frequência plana na banda passante, que o faz muito adequado para a utilização em um amplificador de áudio. A curva do corte do filtro Butterworth pode ser facilmente ajustada, aumentando a ordem
do filtro, que é feito através da adição de indutores e capacitores. Devido às características do ruído de alta frequência gerado pelo PWM, foi determinado que um filtro Butterworth LC de segunda ordem irá atender de forma eficiente e apresentará o melhor custo.
Com a ordem do filtro definida, restam dois parâmetros que definem o filtro Butterworth, que são a frequência de corte e a atenuação. Um filtro de segunda ordem apresenta uma atenuação de 40dB/década, portanto possui precisão suficiente para reduzir o ruído de altas frequências para níveis aceitáveis. O segundo parâmetro é a frequência de corte, que irá determinar os valores dos componentes a serem utilizados. Para a elaboração do projeto do filtro foi selecionada a frequência de corte de 40kHz, que será adequada para atenuar a maioria do ruído fora do espectro audível.
As especificações filtro Butterworth são determinadas pelos valores adotados e a configurações de seus componentes, que neste caso são um indutor e um capacitor. O modelo do filtro pode ser visto na Figura 17.
Figura 17 - Circuito do filtro Butterworth de segunda ordem
Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS, 2016)
As equações (1), (2) e (3) são derivadas do modelo do circuito, e determinam os componentes do filtro.
______________________________________________________________________________ 𝐶 = 1 2𝜋𝑓𝑐√2𝑅 (2) 𝐿 =√2𝑅 2𝜋𝑓𝑐 (3)
Utilizando as equações foram obtidos os valores dos componentes:
𝑅 = 8Ω (4) 𝐶 = 1 2𝜋 ∙ 40𝑘𝐻𝑧 ∙ √2 ∙ 8Ω= 351,69𝑛𝐹 (5) (6) 𝐿 = √2 ∙ 8Ω 2𝜋 ∙ 40𝑘𝐻𝑧 = 45,02𝜇𝐻
Com os valores dos componentes ideais definidos, foi possível partir para o dimensionamento do indutor, e para busca de um capacitor com valor comercial, muito próximo ao valor ideal.
5.5 MODELO DO AMPLIFICADOR E SIMULAÇÕES
Para uma análise mais adequada dos resultados foi realizada a modelagem do amplificador Classe D e da modulação por largura de pulso.
5.5.1 Modelo em Espaço de Estados do Amplificador Classe D
A carga do amplificador representada por um transdutor alto-falante apresenta uma curva de impedância característica, variando conforme a frequência, como visto no item 4.4. Para a realização do projeto, a impedância nominal do alto-falante pode ser considerada, pois representa o momento de maior valor da carga no amplificador. Desta forma, os componentes que armazenam energia são desconsiderados, assim o sistema tem sua ordem reduzida para a ordem do filtro de saída (BALLOU, 2013).
As frequências naturais e as de variação de sinal são muito inferiores, comparadas à frequência de comutação, por isso é possível a modelagem através da metodologia de espaço de estados.
São definidas como variáveis independentes a corrente 𝑖𝐿(𝑡) no indutor e a tensão 𝑣𝑐(𝑡)
no capacitor. Com isso, o vetor de estado é definido como 𝑥(𝑡) = [𝑖𝐿(𝑡)𝑣𝑐(𝑡)]𝑡. A fonte Vg é
alocada do vetor de entrada, dado por 𝑢(𝑡) = [𝑣𝑔(𝑡)]. Para a saída, são definidos os próprios estados alocando o vetor de saídas como 𝑦(𝑡) = [𝑖𝐿(𝑡)𝑣𝑐(𝑡)], modelando de forma explícita as
variáveis de interesse. Considerando o funcionamento do primeiro estágio, onde S1 está fechada e S2 está aberta (0≤ t ≤ d.Ts), tem-se :
𝐾 ∙𝑑ẋ(t) 𝑑𝑡 = 𝐴1∙ 𝑥(𝑡) + 𝐵1∙ 𝑢(𝑡) (7) 𝑦(𝑡) = 𝐻1∙ 𝑥(𝑡) + 𝐸1∙ 𝑢(𝑡) (8) Onde 𝐾 = [𝐿 0 0 𝐶] (9) 𝐴1= [ 0 −1 1 −1 𝑅 ] (10) 𝐵1= [0,5 0]𝑡 (11) 𝐻1= [10 01] (12) 𝐸1= [0 0]𝑡 (13)
Da mesma forma, quando S1 abre e S2 fecha, tem-se que: 𝐾 ∙𝑑ẋ(t)
𝑑𝑡 = 𝐴2∙ 𝑥(𝑡) + 𝐵2∙ 𝑢(𝑡)
______________________________________________________________________________ 𝑦(𝑡) = 𝐻2∙ 𝑥(𝑡) + 𝐸2∙ 𝑢(𝑡) (15) Onde 𝐴2= [ 0 −1 1 −1 𝑅 ] (16) 𝐵2= [−0,5 0]𝑡 (17) 𝐻2= [10 01] (18) 𝐸2= [0 0]𝑡 (19)
A partir disso, é possível obter as matrizes médias, através dos valores médios de 𝑑(𝑡) = 𝐷, 𝑑′(𝑡) = 𝐷′ e 𝑈 = [𝑉 𝑔]. 𝐴 = 𝐴1∙ 𝐷 + 𝐴2∙ 𝐷′ (20) 𝐵 = 𝐵1∙ 𝐷 + 𝐵2∙ 𝐷′ (21) 𝐻 = 𝐻1∙ 𝐷 + 𝐻2∙ 𝐷′ (22) 𝐸 = 𝐸1∙ 𝐷 + 𝐸2∙ 𝐷′ (23) 𝑋 = −𝐴−1∙ 𝐵 ∙ 𝑈 (24) 𝑌 = (−𝐻 ∙ 𝐴−1∙ 𝐵 + 𝐸) ∙ 𝑈 (25)
As equações representativas dos modelos são expressa, e então, são deduzidas a partir da consideração que as variações nas entradas e saídas sejam muito inferiores em módulo que os valores médios, ou seja: ||𝑈|| ≫ ||𝑢̂(𝑡)||, ||𝐷|| ≫ ||𝑑̂(𝑡)||,||𝑋|| ≫ ||𝑥̂(𝑡)|| e ||𝑌|| ≫ ||𝑦̂(𝑡)||.
𝑑𝑥̂(𝑡)
𝑑𝑡 = 𝐴𝑝∙ 𝑥̂(t) + 𝐵𝑝∙ 𝑢̂𝑝(t)
𝑦̂(𝑡) = 𝐻𝑝∙ 𝑥̂(t) + 𝐸𝑝∙ 𝑢̂𝑝(t) (27) Onde 𝐴𝑝= 𝐾−1∙ 𝐴 (28) 𝐵𝑝= 𝐾−1∙ [𝐵 ∙ (𝐴1− 𝐴2) ∙ 𝑋 + (𝐴1− 𝐴2) ∙ 𝑈] (29) 𝐻𝑝= 𝐻 (30) 𝐸𝑝= 𝐾−1∙ [𝐵 ∙ (𝐴1− 𝐴2) ∙ 𝑋 + (𝐴1− 𝐴2) ∙ 𝑈] (31)
Então aplica-se Laplace nas equações (26) e (27), 𝑠𝑥
̂(𝑠) = 𝐴𝑝∙ 𝑥̂(𝑠) + 𝐵𝑝∙ 𝑢̂𝑝(𝑠) (32)
𝑦̂(𝑡) = 𝐻𝑝∙ 𝑥̂(𝑠) + 𝐸𝑝∙ 𝑢̂𝑝(𝑠) (33)
E a partir do agrupamento de 𝑥̂(𝑠) em (32), e substituindo em (33), e adicionando os valores desta forma, chega-se a função de transferência que relaciona o sinal de entrada à variação da razão cíclica:
𝑉𝑜(𝑠) 𝑑(𝑠) = 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 (𝐷 −1 2) (𝐶 ∙ 𝐿 ∙ 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑)𝑠2+ 𝐿𝑠 + 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 (34)
5.5.2 Modelo da Modulação por Largura de Pulso
Para produzir um PWM em um tempo t, é inserido um sinal de áudio s(t) na entrada não-inversora de um comparador. Se considerado um período T, uma onda triangular de alta frequência v(t) é introduzida na entrada inversora do comparador, que se comporta da seguinte forma:
______________________________________________________________________________ v(t) = { 1 −4𝑡 𝑇 𝑝𝑎𝑟𝑎 0 < 𝑡 < 1 2𝑇 −3 +4𝑡 𝑇 𝑝𝑎𝑟𝑎 1 2𝑇 < 𝑡 < 𝑇 (35)
Então, a saída m(t) do comparador assume os valores 0 e 1, conforme a equação (36): m(t) = {1; 𝑠𝑒 𝑠(𝑡) ≥ 𝑣(𝑡)0; 𝑠𝑒 𝑠(𝑡) < 𝑣(𝑡) (36)
5.5.3 Simulação Matlab®
Para uma análise ideal, foram considerados 50W RMS a uma carga de 8Ω. Considerando Rload como a impedância do alto-falante, C como o valor do capacitor e L como o valor do indutor, compondo o filtro de saída.
Partindo do equacionamento anterior, foi possível utilizar o software Matlab®, para obtenção dos valores filtro de saída considerando a impedância do alto-falante e a frequência de corte:
𝐿 = √2 ∙ 8Ω
2𝜋 ∙ 40𝑘𝐻𝑧= 45,02𝜇𝐻
𝐶 = 1
2𝜋 ∙ 40𝑘𝐻𝑧 ∙ √2 ∙ 8Ω= 351,69𝑛𝐹
Para o projeto prático do amplificador, é necessária uma tensão de saída específica, definida pela equação (39):
Vo = √𝑃𝑜𝑢𝑡 ∙ 𝑅𝑙𝑜𝑎𝑑 (37)
Vo = √50 ∙ 8 = 20𝑉𝑅𝑀𝑆 (38)
A partir do resultado de (40) pode-se chegar ao valor da tensão simétrica necessária na fonte de alimentação do amplificador, conforme a (41):
