Gli amplificatori digitali in classe D si sono affermati nelle applicazioni audio principalmente per l’elevata efficienza che può teoricamente arrivare al 100% anche se in genere il 90% è alla portata di tutti i costruttori.
In pratica sono amplificatori a commutazione che si occupano solo di impulsi e pertanto in questo utilizzo devono essere sempre preceduti da uno stadio di conversione analogico/digitale e seguiti da un convertitore digitale/analogico. Oltre a qualche filtro il primo ospita almeno un ADC o un PWM ed è necessario per trasformare il segnale audio analogico d’ingresso in un treno di impulsi PCM (Pulse Code Modulation) i quali si susseguono più o meno densamente nel tempo in modo tale da generare un valore medio proporzionale all’andamento del segnale originale.
In questo modo i transistor di potenza lavorano solo su impulsi di forma d’onda nota perché prefissata e calibrata a priori proprio per massimizzare il rendimento dell’amplificazione. All’uscita il treno con gli impulsi amplificati viene riconvertito da un DAC nella forma analogica adatta per la riproduzione agli altoparlanti. Le prestazioni di questo sistema dipendono essenzialmente dalla risoluzione con cui il segnale analogico viene campionato e dalla velocità con cui viene convertito in impulsi dato che la riconversione finale è oggi una fase generalmente considerata a elevata precisione.
In genere la risoluzione iniziale è considerata ottima se effettuata a 32 o 24 bit che corrispondono a una gamma dinamica di 194 e 144 dB e con questi valori occorrono PWM con velocità di almeno 192 kHz, ma nei sistemi hi-fi per l’elettronica consumer si suole più ragionevolmente utilizzare dei valori più convenienti e capaci di rendere competitivi sul mercato gli apparecchi audio e cioè 12 o 16 bit di risoluzione e poi circa 100 kHz e 100 dB per la velocità di commutazione e la risposta dinamica. Inoltre, nella banda audio tipica che va da 20 Hz a 20 kHz la distorsione armonica totale è considerata hi-fi quando è inferiore a 0,1% ma oggi quasi tutti gli amplificatori in classe D hanno THD tipiche di almeno 0,01% e quindi la purezza armonica è certamente garantita.
Se le prestazioni hi-fi non sono prioritarie allora il mercato offre anche amplificatori in classe D con THD più alte ma compensate, per esempio, da migliori caratteristiche in termini di efficienza energetica o di contenimento dei consumi. Un altro parametro utilizzato spesso per descrivere le prestazioni degli amplificatori audio è il PSRR, Power Supply Rejection Ratio, o rapporto di reiezione della tensione di alimentazione che serve a quantificare la variazione della tensione media di uscita al variare della tensione di alimentazione che può essere un po’ irregolare soprattutto negli impianti elettrici a bordo auto. Più alto è il PSRR in dB e più stabile è la tensione di lavoro nei transistor e di conseguenza altrettanto migliore è la qualità del segnale audio amplificato.
Tre protagonisti
Fig. 1 – Nei due amplificatori Analog Devices SSM2380 (stereo) e SSM2375 (mono) si può calibrare finemente il guadagno
Analog Devices ha progettato i due nuovi amplificatori in classe D SSM2380 e SSM2375 per l’uso a bordo dei terminali palmari di nuova generazione come telefonini, smartphone e tablet, caratterizzandoli con la possibilità di programmare il guadagno. Nell’SSM2380 c’è un’apposita interfaccia I2C che consente di regolarlo da 1 a 24 dB in 47 gradini distinti mentre nell’SSM2375 si usa un pin per graduare di 3 dB alla volta il guadagno nell’intervallo da 0 a 12 dB. Il primo è stereo e la sua potenza d’uscita è di 1,4Wx2 su altoparlanti da 8Ω e 2Wx2 se sono di 4Ω mentre il secondo è mono e fornisce 3W su 3Ω e ancora 1,4W su 8Ω. Entrambi ammettono in ingresso da 2,5 a 5,5 V e hanno gamma dinamica di 100 dB, efficienza del 93%, THD di 0,005% e PSRR di 85 dB. Per entrambi il package è Wlcsp ma il primo ha 16 pin e misura 2,0×2,0 mm mentre il secondo è a 9 pin da 1,5×1,5 mm.
Fig. 2 – L’amplificatore audio Maxim MAX98355/6 misura appena 1,345×1,435 mm e offre in classe D un’efficienza del 92%
Maxim Integrated ha realizzato l’amplificatore MAX98355/6 dotandolo di uno stadio d’ingresso che oltre a rilevare automaticamente il livello del segnale analogico entrante provvede a filtrarlo in frequenza soprattutto nelle pericolose bande attorno a 13 e a 27 MHz diffusamente utilizzate dagli oscillatori al cristallo a bordo dei telefoni cellulari GSM e dei lettori video portatili. Grazie a ciò il segnale audio viene convertito in un segnale digitale praticamente esente dal rumore che può essere processato con prestazioni hi-fi anche senza bisogno di circuiti specifici. L’alimentazione può variare da 2,5 a 5,5 V e consente una potenza d’uscita di 3,2 W con efficienza del 92% e PSRR di 77 dB. La gamma dinamica garantita è di 100 dB mentre la THD+N è pari a 0,013%, mentre il package è WLP a 9 pin da 1,345×1,435 mm con tolleranza termica da -40 a +85 °C.
Fig. 3 – Configurazione tipica e schema a blocchi del robusto amplificatore audio classe D Texas Instruments TPA2025D1
Texas Instruments ha integrato nell’amplificatore audio in Classe D TPA2015D1 uno stadio d’ingresso con controllo automatico del guadagno (AGC, Automatic Gain Control) a corrente costante in grado di conservare il valore ottimo prefissato di 20 dB e poi uno stadio di conversione adattativo di tipo boost (in classe G) che serve a mantenere la tensione di lavoro a 5,75 V qualsiasi sia la tensione effettivamente presente al morsetto di alimentazione. La potenza di uscita totale è di 1,9 W con efficienza tipica dell’85% ed è erogata su altoparlanti da 8 Ω con distorsione THD di 0,01% e PSRR di 90 dB. L’alimentazione tipica è di 3,6 V ma è ammessa da 2,3 fino a 5,2 V e pertanto questo robusto chip può essere utilizzato anche per le applicazioni automotive. Il package è WCSP da 1,53×1,982 mm, ha 12 contatti e tollera agevolmente le temperature da -40 a +85 °C.