Amplificador Digital La nueva tendencia del audio digital Federico Cattivelli Matías Nogueira

1. Amplificador Digital La nueva tendencia del audio digitalFederico CattivelliMatías Nogueira JEFI 04 Universidad ORT Uruguay 27 de Noviembre de 2004

2. Introducción • Amplificador Clase D de 150W (IEEE Spectrum, Marzo 2003) • El modo de operación Clase D fue introducido en 1959, y ofrece una eficiencia mucho mayor que los amplificadores de audio convencionales • Amplificadores comerciales disponibles recién en la década de los 90

3. Operación en Clase AB • Punto de polarización Q se ubica ligeramente por encima del valor de corte • Transistores siempre operan en la zona lineal • Menor distorsión que Clase B • Menor eficiencia que Clase B

4. El Amplificador Clase D • Transistores de salida fuera de la zona lineal (entre corte y saturación) • Eficiencia teórica del 100%

5. ? ¿Cómo hacemos para generar audio de 1 bit? • Con baja velocidad de pulsos para tener mayor eficiencia • Con calidad de audio comparable al CD

6. Reconstrucción de Audio • Ejemplo: Audio calidad CD • 16 bits (65536 niveles) • 44100 muestras / segundo • Reconstrución PAM NRZ

7. Modulación PWM • Modulación por ancho de pulso

8. Modulación PWM • Entrada analógica: NPWM (PWM Natural) • Poca distorsión • Entrada digital: UPWM (PWM Uniforme) • Mucha distorsión a múltiplos de la frecuencia de entrada • Para generar una señal diente de sierra de 16 bits operando a una frecuencia de 48000 muestras por segundo, se requiere de un reloj de ¡ 3,1 GHz !

9. Modulación PDM • Modulación por densidad de pulsos

10. Modulación Sigma Delta • Integrador en cascada con Modulador Delta • Es una técnica de sobremuestreo que permite (re)cuantificar señales • Moldea el error de cuantificación para que esté presente solo a altas frecuencias (noise shaping), permitiendo reconstrucción con filtro pasabajos

11. Amplificador Digital con Modulación PWM 7 bits PCM 16 bits 48kHz 100MHz 390kHz

12. Amplificador Digital

13. Etapa Clase D • Salida de Potencia

14. Dificultades de Diseño • Componentes NO simétricos • Sensibilidad al Jitter • Genera reducción de la Relación Señal a Ruido • Para tener SNR=100dB, JitterMAX ≤ 8,2ps • Sensibilidad a tiempos de subida y bajada diferentes • Genera armónicos de 2º Orden • Para tener SNR=100dB, tr-tf ≤ 22ps

15. Pérdidas • Conducción • Interconexiones metálicas • Transistores MOSFET • Componentes del Filtro • Conmutación • Transistores MOSFET • Corto Circuito • Driver • Carga de las capacidades de Gate

16. Modulador Implementado • Eficiencia 80%

17. Resumiendo • Amplificación Clase D de alta eficiencia • Es necesaria la generación de audio de 1 bit (one bit DAC) • El audio se reconstruye filtrando pasabajos • Dos técnicas de modulación: • PWM • Sigma Delta

18. Conclusiones • Amplificador Digital • Muy alta eficiencia (80%) • Buena linealidad en amplificación analógica • Circuitería relativamente simple • Muy buena calidad de audio

19. Gracias

20. ? ?

21. SDM vs. PWM

22. Modulador SDM de orden 7 I1 = z -1/ (1-z -1) I2 = 1 / (1-z -1)

23. Modulador SDM de orden 7 OSR = 32

24. Modulador SDM de orden 7 OSR = 32 Entrada sinusoidal de 1kHz