Audio da 200 watt

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 10 aprile 2002

Proprio nel numero precedente della rivista, in questa stessa sezione di Tecnologie, abbiamo fatto il punto sull’attuale produzione di amplificatori audio monolitici che operano in commutazione.
Oggi è il caso di Philips, che già dall’estate scorsa aveva preannunciato di essere nella fase di messa a punto di una coppia di dispositivi audio di potenza in classe D. Ora i dispositivi sono pronti, e sono disponibili sotto forma di due chip che operano in tandem: un driver ed un finale di potenza, in grado di erogare parecchie decine di watt con un’efficienza del 95%. Ne potranno trarre beneficio apparati quali ad esempio televisori, hi-fi e i booster nel settore automobilistico.
La soluzione attuale basata su due chip prevede l’impiego del driver TDA8929 e dei finali TDA8926 e 8927, capaci di erogare da 20 a 150 watt (su 4 e 8 ohm) con il 95% di efficienza ed una distorsione armonica totale THD inferiore allo 0.01%. Il processo utilizzato è l’SOI (Silicon On Insulator) con transistor a bassa resistenza di canale Rds(on). L’isolamento ad ossido garantisce un eccellente isolamento elettrico fra i componenti, un’elevata tensione di lavoro, una completa immunità al fenomeno del “latch-up” ed una bassa capacità parassita, a tutto vantaggio della frequenza di lavoro e del crosstalk, fattori fondamentali nel garantire un’elevata qualità sonora. Il processo utilizzato garantisce inoltre un ridotto assorbimento di corrente (20mA a riposo) ed emissioni EMI estremamente contenute, in modo da non interferire con gli altri componenti della catena audio. La Società prevede di avviare in un prossimo futuro la produzione di versioni di potenza su singolo chip.

TDA8929T: il controller

La sezione di controllo è costituita dal TDA8929T, un “audio amplifier controller” stereo di tipo analogico in package SO24 in grado di consentire un guadagno di 30 dB in configurazione SE e di 36 dB in BTL. Il chip, che è esente da fenomeni di rumore all’accensione e spegnimento, consente che la frequenza di commutazione interna possa essere modificata tramite un clock esterno. Questo dispositivo è provvisto di pin di diagnostica per la protezione termica e contro il cortocircuito.
Il controller integra un circuito che provvede ad effettuare un auto-test in fase di accensione, in grado di rilevare eventuali situazioni di contatto accidentale fra le uscite e le linee di alimentazione o massa; oltre a ciò, è presente un circuito di protezione elettrostatica fra pin e pin. La tensione di rumore equivalente all’ingresso è pari a 220 µV, la reiezione dell’alimentazione è di 50 dB e la separazione fra i canali è parti a 70 dB. Lo schema funzionale interno è mostrato in figura 1. Il chip contiene quindi due modulatori PWM, due loop analogici e due stadi differenziali d’ingresso, uno per ciascun canale, accanto ad un oscillatore, ad un manager di temporizzazione e a vari circuiti di supporto.
Grazie a questi blocchi funzionali, in questo controller il segnale audio viene convertito in un segnale a modulazione PWM di basso livello, che il driver di potenza (TDA8926) provvederà poi a traslare in un segnale di elevata ampiezza in grado di pilotare il filtro passa-basso d’uscita e le casse acustiche. I progettisti di questi due chip hanno fatto in modo che le piedinature dei due componenti siano tali da garantire la minima lunghezza delle piste sul circuito applicativo (Fig.2).
Le modalità operative sono tre: Standby (bassa corrente operativa, ovvero solo 30µA), Mute (i due canali sono operativi ma viene soppresso il segnale in uscita) e On, con la piena operatività e presenza del segnale in uscita. Al fine di sopprimere il rumore “pop” durante il passaggio in On mode, il circuito interno provvede a mantenere l’amplificatore di potenza nella condizione di Mute per circa 220 ms prima di inviare il segnale in uscita. La distorsione THD tipica è dello 0.01% a 1KHz e dello 0.1% a 10KHz. La reiezione dell’alimentazione è di 50dB a 1KHz, e la separazione fra i canali è di 70dB a 1KHz, con un CMRR di 75dB. La frequenza dell’oscillatore interno è di 300 KHz, ma può essere variata fra i 200 KHz e i 600 KHz modificando il valore della resistenza esterna connessa fra il pin Osc e Vss. Consultando i grafici riportati nel foglio tecnico si constata a questo proposito che la distorsione dichiarata si mantiene tale utilizzando frequenze di lavoro che vanno dai 330 KHz ai 450 KHz, mentre sale decisamente se si utilizzano frequenze superiori e soprattutto inferiori.

I finali di potenza

Le sezioni di potenza sono realizzate in due versioni, e precisamente i TDA8926 e 8927, disponibili in package di potenza DBS17P, RDBS17P o HSOP2 e in grado di consentire la realizzazione di finali da 2 x 50W o 2 x 100W rispettivamente (senza dissipatore o con uno di piccole dimensioni) con un’alimentazione da ±15 a ±30V e con una corrente a riposo di soli 35mA. La configurazione d’uscita può essere di tipo single-ended (SE, con carico a massa) o a ponte (bridge-tied load o BTL) su carichi da 4 a 8 ohm. Le connessioni con il driver sono mostrate in figura 2 assieme allo schema completo dell’amplificatore stereo.
L’efficienza massima ottenuta è del 94% ad una potenza di 30W, in configurazione single-ended e con carico di 8 ohm; alla stessa potenza, se la configurazione diviene BTL essa cala però all’80%, ma raggiunge comunque il 90% a 150 watt. La distorsione è fortemente dipendente dalla frequenza d’ingresso, come si può vedere nel grafico di figura 3. Proprio a questo proposito, il foglio tecnico riporta anche l’andamento della distorsione THD + N in funzione della frequenza (Fig.4) dove si nota un andamento pressoché costante fino a qualche centinaio di Hertz, e poi un progressivo aumento fino a circa 7KHz, dopo di che essa scende rapidamente, per assumere lo stesso valore tipico delle basse frequenze.
Interessante è anche l’andamento della potenza ottenibile in funzione della tensione di alimentazione, della configurazione e del carico (Fig.5), dove si osservano fortissime dipendenze dai tre fattori suddetti: ad esempio, per ottenere una potenza d’uscita pari a 50 watt su un carico di 8 ohm in configurazione single-ended è necessaria un’alimentazione di ±28V, mentre ne bastano ±22V su 4 ohm e addirittura solo ±15V se gli 8 ohm vengono pilotati in configurazione a ponte; se poi si pilotano 4 ohm a ponte si ottengono addirittura 90 watt anche a soli ±10V.