Indice
Introduzione
4
Capitolo 1
7
Acustica
7
1.1 I caratteri distintivi del suono
8
1.1.1 Altezza
8
1.1.2 Intensità
8
1.1.3 Timbro
10
1.2 Pressione sonora
11
1.3 Lunghezza d’onda
11
Capitolo 2
13
Elettroacustica
13
2.1 La sorgente
14
2.2 Il quadripolo
14
2.2.1 Classe A
17
2.2.2 Classe B
23
2.2.3 Amplificatore in classe AB
31
2.2.4 Amplificatore in classe C
40
2.2.5 Amplificatore in classe D
41
2.3 Gli utilizzatori
43
2.3.1 Struttura dell’altoparlante
44
2.3.2 Altoparlante a banda larga
50
2.3.4 Altoparlante woofer
51
2.3.5 Altoparlante tweeter
51
2.4 Il filtro cross-over
51
Capitolo 3
52
Distorsioni
52
3.1 Distorsioni lineari
52
3.2 Distorsioni non lineari
55
3.3 Non linearità essenziale e parassite
59
3.4 Misura delle distorsioni non lineari
62
3.5 Ritardo di gruppo
65
3.6 Diafonia e separazione
65
3.7 Dinamica
65
Capitolo 4
67
Progetto di un amplificatore audio in classe D switching
67
4.1 Specifiche del sistema
68
4.2 L’amplificatore in classe D switching
69
4.3 Funzione di trasferimento del sistema
72
4.4 Calcolo dei valori delle resistenze e dei condensatori
77
4.5 Stadio di ingresso e di pilotaggio dell’uscita
80
4.6 Generatore di onda triangolare
83
4.7 Stadio di uscita
86
4.8 Scelta del filtro di uscita e simulazioni del sistema
91
4.9 Filtro d’uscita e simulazioni con varie condizioni di
106
ingresso e temperatura
106
4.10 Rendimento dell’amplificatore
120
4.11 Realizzazione del PCB
121
4.12 Ingresso digitale
131
4.12.1 Adattatore
134
Capitolo 5
136
Costi dell’amplificatore
136
5.1 Blocco d’ingresso
138
5.2 Blocco di comparazione
138
5.3 Blocco di reazione
139
5.4 Blocco generatore di onda triangolare
140
5.5 Blocco d’uscita
140
5.6 Blocco filtro d’uscita
141
5.7 Come diminuire i costi
143
5.8 Blocco ingresso digitale
147
Conclusioni
149
Bibliografia
151
Introduzione
L’elaborato dal titolo Studio e progetto di amplificatori switching è stato realizzato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università agli Studi di Pisa.
Inizialmente si riportano notizie sulle onde sonore e sulla ricezione di queste da parte dell’orecchio umano.
In seguito si danno informazioni sugli apparati che elaborano il segnale audio.
Sotto è riportato lo schema a blocchi raffigurante i principali sistemi capaci di trasformare il segnale audio in segnale elettrico, amplificarlo e riportarlo nuovamente in segnale audio.
figura introduzione.1 Schema a blocchi di un sistema audio
Il microfono, una delle sorgenti più comuni, funziona come trasduttore da onde sonore in segnale elettrico che viene amplificato e riportato in onde sonore attraverso gli altoparlanti, che come è espresso nella sezione riguardante gli altoparlanti, possono essere di vari tipi e dimensione a seconda del suono che si vuole riprodurre o privilegiare.
Si pone maggiore attenzione sulla sezione che riguarda gli amplificatori, cercando di capire quale sia il loro funzionamento, il loro rendimento e gli effetti negativi quali la distorsione.
Si dividono in classi di appartenenza a seconda di quanto conducono i transistori che formano gli amplificatori.
La classe D audio è quella su cui si focalizza il lavoro ed in particolare su amplificatori switching in quanto proprio su questo tipo di amplificatori si basa l’intera parte progettuale del lavoro.
L’intento è quello di realizzare un amplificatore audio con banda 20 Hz – 20 K Hz, in grado di fornire sul carico da 8 ohm una tensione massima di ampiezza pari a circa ± 25 V, per un segnale di ingresso di ampiezza ± 2 V.
La potenza che si intende avere sul carico è pari teoricamente a:
W P 39 8 * 2 252 = = introduzione.1
Per la realizzazione dell’amplificatore audio si deve fare attenzione sulle distorsioni, analizzate in un capitolo apposito.
Nel progetto si vuole ottenere un valore del THD di circa 10-3, anche a scapito della distorsione di fase, che espresso in questo capitolo aumenta all’aumentare dell’ordine del filtro posto in uscita al sistema, ma che comunque è rilevata meno dal’orecchio umano.
Un alto ordine del filtro garantisce un basso valore del THD.
Si cerca quindi di realizzare un amplificatore che miri soprattutto ad avere un buon rendimento, per questo la scelta di un classe D.
Gli amplificatori in classe A ed AB hanno un valore del THD molto basso, ma un rendimento teorico che non supera il 25% e il 78,5% rispettivamente e quindi necessitano di più dissipatori nella realizzazione del PCB con un conseguente aumento dei costi per la realizzazione del progetto. Nella tabella sotto sono riportate le specifiche di progetto.
Banda 20 Hz - 20 KHz
tensione sul carico ± 25 V tensione in ingresso ± 2 V potenza sul carico 39 W
THD circa 0.001
rendimento > 85%
figura introduzione.2 Specifiche di progetto
Il progetto si sviluppa utilizzando il simulatore Orcad che consente di realizzare simulazioni di verifica circuitale e files per la realizzazione di PCB e Ultra Cad per i problemi di cross talk durante la progettazione del PCB.
Nella parte che riguarda la realizzazione dei files per la creazione del PCB si devono considerare gli effetti della dissipazione del calore applicando ai componenti, che ne richiedono l’utilizzo, dei specifici dissipatori di calore.
A causa di queste molteplici variabili, si sviluppano varie soluzioni circuitali, cercando il compromesso migliore.
In questa parte si progetta un amplificatore audio con le stesse caratteristiche del precedente, ma con ingresso un segnale digitale proveniente da un lettore CD.
Si utilizza quindi un convertitore digitale analogico audio ed un adattatore per conformare il segnale di uscita del convertitore all’amplificatore audio progettato precedentemente.
A fine della fase progettuale, si fa una stima dei costi dei singoli componenti utilizzati e dei sottoblocchi che compongono l’amplificatore, cercando, dove possibile, di sostituire i componenti più costosi con dispositivi con le stesse caratteristiche in termini di prestazioni, ma meno costosi. Il fine di questa parte è la ricerca del risparmio ma nello stesso tempo di non intaccare i risultati delle simulazioni fatte precedentemente nella fase di progetto.
Capitolo 1
Acustica
Il suono è dovuto a vibrazioni elastiche nell’aria od in altri mezzi; la velocità e di 330 metri al secondo nell’aria, 1450 nell’acqua e 5130 nel ferro.
Come riportato nei dati sopra citati, nei liquidi la velocità del suono è maggiore che nell’aria.
Nei solidi si ha un discorso analogo; le onde longitudinali si propagano però più velocemente delle trasversali.
Il suono pertanto può essere trasmesso in mezzi di ogni genere; non si trasmette però nel vuoto, in quanto le onde elastiche si propagano solo nella materia.
L’orecchio umano è sensibile a frequenze comprese tra 0 e 20 KHz, anche se maggiormente alle frequenze fra 2 e 4 KHz, che richiedono pochissimi decibel per essere percepite: si usa questa caratteristica per eliminare dal segnale sonoro quelle componenti spettrali non udibili dall’orecchio medio.
In sostanza si tagliano le alte frequenze e le bassissime frequenze.
In oltre il modello psicoacustico ha dimostrato che l’orecchio umano non è in grado di percepire frequenze deboli adiacenti a frequenze forti, in quante queste ultime coprono le prime e questo fenomeno è detto effetto mascheramento in termini tecnici.
L’effetto complessivo del mascheramento è che molti toni non saranno mai udibili, perché collocati nel dominio dalle frequenza o del tempo troppo vicini a toni forti.
In definitiva, tenendo conto della sensibilità dell’orecchio e del fenomeno del mascheramento, è quindi possibile eliminare dallo spettro del segnale sonoro una quantità molto alta di informazioni inutili, perché non udibili dall’orecchio umano.
1.1 I caratteri distintivi del suono
Si è sempre parlato genericamente del suono anche se è opportuno fare una differenza tra suoni e rumori.
Con i primi intendiamo un’onda sonora prive di una precisa periodicità.
L’oscillazioni periodiche danno origine a suoni a suoni di forma sinusoidale con le seguenti caratteristiche:
1. altezza o la frequenza dell’onda 2. l’intensità o l’ampiezza del segnale
3. timbro od il numero delle armoniche oltre la fondamentale.
1.1.1 Altezza
È il carattere del suono che distingue i suoni gravi da quelli acuti; a diverse altezze corrispondono onde con frequenze diverse.
1.1.2 Intensità
È il carattere del suono che distingue i suoni forti da quelli deboli e determina l’energia trasportata dall’onda.
La distanza a cui un suono può essere percepito dipende dalla sua intensità, definita come il flusso medio di energia che, nell'unità di tempo, attraversa una superficie di area unitaria disposta perpendicolarmente alla direzione di propagazione.
Nel caso di onde sferiche generate da una sorgente puntiforme, l'intensità varia in modo inversamente proporzionale alla distanza, purché siano trascurabili gli effetti della viscosità e le variazioni di temperatura, pressione o umidità del mezzo di propagazione.
Nel caso di propagazione delle onde sonore nell'atmosfera tali effetti non sono marginali, producono dispersione e smorzamento delle onde, e la legge vale solo approssimativamente.
L'ampiezza di un'onda sonora rappresenta, quindi, il massimo spostamento rispetto alla posizione di equilibrio delle molecole che costituiscono il mezzo di propagazione.
Al crescere dell'ampiezza dell'onda, aumenta la forza con la quale viene colpito il timpano dell'orecchio e quindi l'intensità con cui il suono è percepito.
Oltre che come elongazione massima delle molecole d'aria, è possibile misurare l'ampiezza di un suono in termini della massima differenza di pressione tra rarefazione e compressione, oppure in termini di energia, essendo questa proporzionale all'ampiezza dell'onda.
Il linguaggio parlato ordinario produce una potenza sonora di circa cento millesimi di watt.
In generale, comunque, misure di questo tipo sono estremamente difficoltose, e si usa esprimere l'intensità dei suoni relativamente a un suono standard, misurato in decibel.
Il decibel
L'unità dimisura dell’intensità del suono è il decibel.
In elettroacustica, oltre alle normali unità di misura come gli ampere, i volt ed i watt, si usa vantaggiosamente il decibel.
Questa unità, il BEL, è definita come il logaritmo decimale del rapporto tra la potenza W2 e la
potenza W1, espresse in Watt e l'espressione è quindi 1
2 logW W N =
Normalmente si utilizza il decibel, dB, un decimo di bel, perché quest'ultimo troppo grande. Nella tecnica delle telecomunicazioni il guadagno e la perdita di un quadripolo sono espresse in dB; se il rapporto è positivo si ha un guadagno, se negativo una perdita o attenuazione.
Nella tecnica audio i quadripoli funzionano normalmente come amplificatori di tensione, quindi conviene considerare le tensioni di ingresso e di uscita e calcolare il guadagno i dB.
Considerando che W =VI =V2 R dove W sono i Watt, V è la tensione, I la corrente e R la
resistenza si ottiene N =20logVu Vi +10logRi Rc dove Ri è la resistenza d'ingresso e Rc la resistenza del carico, ponendole uguali come normalmente succede, si ottiene
i
u V
V
N =20log dato che il secondo termine dell'espressione si annulla perché log =1 0
Per calcoli mentali rammentiamo che un guadagno di 6 dB è uguale al doppio del rapporto, 20 dB ad un rapporto di 10, 40 dB di 100 e 60 dB di mille.
Sotto in figura 1.1, sono riportati alcuni valori dell’intensità, espressi in db, di comuni suoni percepiti quotidianamente.
Esempio in radiofrequenza 1000 dB microvolt significa 1 millivolt dato che il livello di riferimento è un microvolt.
Normalmente in elettroacustica e in radiotelediffusione si riferisce la potenza misurata in rapporto ad una potenza di riferimento, ossia 1 mW, un milli Watt, o livello di potenza.
La potenza di riferimento di 1 mW corrisponde il livello zero di potenza ossia 0 dB = 1mW. Tenendo presente che nel campo dell'elettroacustica l'impedenza normalizzata è 600 Ohm, alla potenza di 1 mW corrisponde una tensione di 0,775 Volt
V è uguale alla radice quadrata di W fratto R ossia la radice quadrata di 0,6 appunto 0,775 Volt.
Come si nota in figura 1.1, alla soglia di udibilità è attribuito il valore 0 db; l’intensità di un mormorio risulta di circa 10 db e il fruscio del vento tra le foglie si aggira intorno ai 20 db.
La scala delle intensità dei suoni è logaritmica, perciò ogni incremento di 10 db corrisponde a un aumento in intensità di un fattore 10: il fruscio delle foglie infatti è 10 volte più intenso dei mormorii.
figura 1.1 Grafico dei valori dell’intensità di suoni
1.1.3 Timbro
È il carattere che permette di distinguere più suoni identici per altezza e intensità che provengono da sorgenti diverse.
1.2 Pressione sonora
Le oscillazioni alternate della sorgente sonora, ad esempio quelle della membrana dell’altoparlante, provocano continue compressioni e depressioni nel mezzo di propagazione.
Le differenze in più o in meno rispetto alla pressione in condizioni normali, cioè in assenza di perturbazione, costituiscono la pressione sonora o acustica.
La pressione si misura in dyne per centimetro quadrato; ma il decibel è l’unità di misura più utilizzata.
1.3 Lunghezza d’onda
Distanza percorsa da un'onda nell'intervallo di tempo di un periodo, o equivalentemente, distanza tra due punti consecutivi e di uguale fase di un'onda.
La lunghezza d'onda è una grandezza fondamentale per lo studio di qualunque tipo di moto ondulatorio, e può variare da valori molto alti, quali ad esempio le centinaia di metri tipiche delle lunghezze d'onda delle onde radio, a valori bassissimi come i milionesimi di milionesimi di metro,
12
10− , tipici dei raggi gamma.
In genere si indica con la lettera greca λ ed è legata alla frequenza f dalla relazione
λ
=v f , dove v è la velocità di propagazione dell'onda.Le onde che si propagano sulla superficie dell'acqua, o su una corda, per effetto di una sollecitazione sono oscillazioni trasversali della materia, che si verificano perpendicolarmente rispetto alla direzione di propagazione dell'onda.
Le creste e i ventri sono i punti in cui lo spostamento dalla posizione di equilibrio, l’elongazione, è massimo e sono naturalmente punti di uguale fase dell'onda.
Pertanto la lunghezza d'onda può essere definita come la distanza tra due creste o tra due ventri successivi.
Il suono invece si propaga per onde longitudinali, che consistono in movimenti periodici delle molecole d'aria lungo la direzione di propagazione dell'onda.
Le creste e i ventri di un'onda longitudinale possono essere ancora definiti come punti in cui le molecole subiscono il massimo spostamento dalla posizione di equilibrio, ma in modo equivalente le creste possono essere considerate come posizioni in cui le molecole d'aria sono dotate della massima velocità nel verso concorde a quello di propagazione, e i ventri come posizioni in cui la velocità delle molecole è massima in direzione opposta.
Anche in questo caso la lunghezza d'onda può essere interpretata come la distanza tra due creste o tra due ventri successivi.
Capitolo 2
Elettroacustica
Il suono per essere utilizzato dalle apparecchiature elettroniche deve essere trasformato da energia sonora, ad energia elettrica: il trasduttore utilizzato è il microfono.
Il segnale elettrico, denominato di audiofrequenza o segnale audio, deve avere l’ampiezza adeguata alle varie necessità e contenere tutte le informazioni che caratterizzano il segnale acustico originale.
La riproduzione sonora avviene attraverso una successione di manipolazioni di un originario segnale elettrico che rappresenta l'informazione.
In questo processo il diffusore acustico interviene per ultimo, ed il suo compito è quello di trasformare in energia sonora l'energia elettrica ricevuta dall'amplificatore.
Si tratta perciò di un trasduttore, cioè di un dispositivo capace di intervenire su un'energia mutandone la natura per restituirla sotto un'altra forma.
Esempi di trasduttori sono la testina e il microfono e il processo di trasduzione è in genere più complesso della semplice elaborazione di un'energia, perché bisogna considerare grandezze e fenomeni relativi alla forma originaria dell'energia ed alla forma nella quale questa deve essere trasformata.
Perciò nel caso di un diffusore acustico il problema ha aspetti elettrici ed aspetti meccanici, perché queste sono le due forme di energia in gioco.
L'energia sonora deve ancora compiere il tragitto che va dall'altoparlante che la emette all'orecchio di chi ascolta, il che non avviene attraverso un filo ma tramite l'ambiente di ascolto, il quale interviene quindi direttamente nell'audizione al punto da poter essere considerato come un ulteriore elemento del sistema di riproduzione.
Solo una parte della potenza acustica, infatti giunge direttamente al nostro orecchio mentre il resto è riflesso o assorbito dall'ambiente, ed è chiaro che tutto ciò può portare conseguenze anche notevoli sul risultato finale di ascolto.
È sufficiente ricordare il notevole effetto di riverbero presente nelle grandi chiese o il timbro più cupo e soffocato che si ottiene parlando con un cuscino davanti alla bocca, o ancora il famoso effetto del mare che si sente accostando all'orecchio una conchiglia.
A seconda delle attività, il segnale audio è utilizzato per magnetizzare un nastro attraverso un registratore per incidere un disco, CD, minidisco, disco tradizionale, o per produrre programmi televisivi o radiofonici.
Le frequenze interessate, come precedentemente esposto nel capito 1, vanno dai 16 periodi o Hz, il Do della sub-contro ottava = 16,35 Hz, a 20000 Hz, Do della sesta ottava = 16744 Hz, che corrisponde ai limiti di udibilità, con segnale continuo per una persona giovane.
Gli apparati utilizzati nella conversione da segnale sonoro a segnale elettrico e viceversa sono riportati nella figura 2.1 sottostante.
figura 2.1 Schema a blocchi di un sistema audio
2.1 La sorgente
La sorgente è formata da quei dispositivi che trasformano il segnale sonoro in segnale elettrico. Il microfono è il tipo di sorgente più utilizzato.
2.2 Il quadripolo
Il quadripolo consiste in una rete o circuito elettrico, più o meno complessa, con due terminali di ingresso e due di uscita.
Esso può essere passivo, costituito da elementi resistivi ed attivo, l'amplificatore. Classificazione degli amplificatori
Gli amplificatori possono essere suddivisi in base al loro utilizzo ed in particolare: secondo la selettività gli amplificatori sono aperiodici a banda larga o limitata e selettivi.
secondo il campo di applicazione radiofrequenza e banda base videofrequenza e audiofrequenza. secondo il modo di funzionamento: classe A, classe A/B, classe B, classe C, classe D
Per gli obiettivi prepostoci, si focalizzerà l’attenzione su quest’ultima classificazione.
Amplificatori di tensione: utilizzati per elevare il livello della tensione applicata all'ingresso, per esempio l'uscita microfonica.
Amplificatori di potenza: utilizzati quando l'impedenza di carico applicata ai terminali dell'amplificatore assorbe delle correnti relativamente elevate, per esempio un carico come l'altoparlante.
Classi di amplificatori
Gli amplificatori sono classificati in base alla forma d’onda dell’uscita associata ad un preciso segnale posto in ingresso all’amplificatore stesso.
La figura 2.2 mostra la classificazione, facendo arrivare in ingresso all’amplificatore un segnale sinusoidale.
figura 2.2 Forma d’onda associata agli amplificatori
Quello in classe A, al quale è associata la forma d’onda graficata in figura 2.2a, è polarizzato con un valore di corrente IC più grande dell’escursione massima della corrente di collettore
C
Iˆ
stessa .In questa maniera, in un amplificatore in classe A, il transistore conduce per l’intero periodo del segnale di ingresso, cioè l’angolo di conduzione è 360°.
L’amplificatore in classe B, invece, ha un transistore polarizzato ad un valore nullo di corrente continua, come mostra la forma d’onda di figura 2.2b.
Il transistore di un classe B conduce solo per mezzo periodo dell’onda sinusoidale presente in ingresso, da cui risulta che un amplificatore in classe B ha un angolo di conduzione di 180°.
La parte negativa della sinusoide sono fornite da un altro transistor che lavora anche questo in classe B e che conduce per mezzo periodo alternandosi con il primo.
Una classe che si trova in mezzo tra il classe A e il classe B è il classe AB il quale ha la polarizzazione del transistore ad una corrente continua non nulla molto più piccola della massima escursione della corrente stessa, come riportato in figura 2.2c.
Il transistor conduce per un intervallo di poco più grande del semiperiodo e l’angolo di conduzione è maggiore di 180° ma molto minore di 360°.
Come per il classe B, il classe AB ha un altro transistore che conduce per più del semiperiodo negativo e le correnti che provengono dai due transistori si combinano nel carico.
Da quanto detto sopra, i transistori conducono entrambi durante gli intervalli prossimi agli attraversamenti dello zero detto, zero crossing, della sinusoide di ingresso.
In figura 2.2d è riportata la forma d’onda della corrente di un transistore che funzione come amplificatore in classe C.
Il transistore conduce per un intervallo più breve di un semiperiodo e, quindi, ne segue che l’angolo di conduzione è minore di 180°.
La forma d’onda della corrente è formata da un treno periodico di impulsi, come riportato in figura 2.2d.
Per ottenere in uscita una sinusoide, la corrente di uscita è filtrata con un circuito LC parallelo, accordato sulla frequenza della sinusoide di ingresso.
Il circuito accordato si comporta da filtro passa banda e fornisce in uscita una tensione proporzionale all’ampiezza della componente fondamentale dello sviluppo in serie di Fourier della forma d’onda della corrente.
Nonostante in questa argomentazione si sia usato il BJT , la stessa classificazione può essere fatta indistintamente con i MOSFET.
2.2.1 Classe A
È la classe più usata per la sua bassa impedenza d’uscita. Caratteristica di trasferimento
Come mostrato in figura 2.3, Q1 è un inseguitore di emettitore polarizzato con una corrente costante
figura 2.3 Schema circuitale di un classe A
Sempre in riferimento alla figura 2.3, la corrente di emettitore è data da
L
E I i
i 1 = + 2.1
Quindi la corrente di polarizzazione I deve essere maggiore del massimo valore della corrente
negativa perché l’amplificatore funzioni in classe A e Q1 non vada in interdizione.
La caratteristica di trasferimento dell’inseguitore di emettitore è descritta da
1
BE I
o v v
v = − 2.2
dove vBE1dipende dalla corrente di emettitore iE1e quindi della corrente di carico iE1.
Si trascurano le variazioni di vBE1che sono piccole in relazione alla grandezze in gioco, infatti, un
variazione di vBEdi 60mV corrispondono ad un cambiamento di un fattore 10 della corrente di emettitore, si ottiene la curva di trasferimento lineare mostrata in figura 2.4.
figura 2.4 Grafico della funzione di trasferimento di un classe A
Come indicato in figura 2.4, sopra riportata, la saturazione di Q1determina il limite positivo della
zona lineare. Quindi sat CE CC o V V v max = − 1 2.3 L’interdizione di Q1 L o IR v min =− 2.4 e la saturazione di Q2 sat CE CC o V V v min =− + 2 2.5
determina il limite negativo della zona lineare. Tutto dipende dai valori I eRL.
La tensione di uscita più bassa è quella data dall’equazione 2.5 sopra riportata e la si ottiene purché la corrente di polarizzazione I sia maggiore dell’ampiezza della corrispondente corrente di carico
L sat CE CC R V V I ≥ − + 2 2.6 Forma d’onda
Si considera il funzionamento dell’inseguitore di emettitore di figura 2.3 in corrispondenza ad un segnale di ingresso sinusoidale.
Se si trascura VCEsat, l’escursione della tensione d’uscita varia da −VCC a +VCC con un valore di lavoro nullo.
Quanto sopra riportato è graficato in figura 2.5a, se la corrente di polarizzazione è scelta in maniera appropriata.
In figura 2.5b è invece riportata la corrispondente forma d’onda di vCE1 =VCC −vO.
Se si suppone che la corrente di polarizzazione I sia scelta in modo tale che si abbia la massima
corrente di carico negativa, cioèVCC/RL, la corrente di collettore di Q1 avrà la forma d’onda riportata in figura 2.5c.
In figura 2.5d è graficata la forma d’onda della dissipazione di potenza istantanea relativa al transistore Q1 1 1 1 CE c D v i p ≡ 2.7 Dissipazione di potenza
La massima dissipazione di potenza istantanea in Q1è pari aVCCI, come mostrato in figura 2.5d.
figura 2.5 Grafico della dissipazione di potenza istantanea
Il transistore preso in considerazione dissipa più potenza quandovo =0, cioè quando non c’è nessun segnale in ingresso.
Questa condizione può verificarsi per molto tempo e quindi il transistore deve essere in grado di resistere ad una dissipazione di potenza continua VCCI.
La dissipazione di potenza del transistore dipende dal valore della resistenza di carico RL. Si considera il caso limite di un circuito aperto in uscita, cioè RL =∞.
In questo caso iC1 =I è costante e la dissipazione di potenza istantanea in Q1 dipenderà dal valore
istantaneo vo.
La dissipazione di potenza massima si avrà quandovo =−VCC, essendo in questo caso al massimo CC
CE V
v 1 =2 e PD1 =2VCCI
Questa situazione, comunque, non si verifica per un tempo prolungato e quindi in fase di progettazione non si deve tenere troppo in considerazione questo caso.
Si osserva che nel caso in cui RL sia un circuito aperto, la dissipazione di potenza media in Q1 è
I VCC .
Infatti quando l’uscita è cortocircuitata, una tensione positiva in ingresso dovrebbe causare una corrente infinita sul carico.
In realtà attraverso il transistore passa una corrente molto elevata e se la condizione di cortocircuito persiste, l’elevata dissipazione di potenza risultante in Q1 può far aumentare la sua temperatura di
giunzione oltre il massimo consentito, provocando la bruciatura del transistore stesso. Per evitare queste situazioni, sulle uscite sono presenti delle protezioni da cortocircuito.
Nel progettare un amplificatore, come riportato in figura 2.5, si devono fare considerazioni sulla dissipazione di potenza relative al transistore Q2.
Il transistore in oggetto conduce una corrente costante di valore pari a I ed il valore massimo di
2
CE
v è 2VCC ed il valore massimo della potenza dissipata istantanea è 2VCCI e si ha quando CC
o V
v = , che non si dovrebbe verificare per un periodo di tempo molto lungo.
Per il progettista un valore più significativo e la dissipazione di potenza media che è pari a VCCI.
Rendimento di potenza
Il rendimento di potenza è definita come
( )
( )
S L P P one alimentazi di potenza carico sul potenza ≡η
2.8cioè come il rapporto tra la potenza utile sul carico e la potenza erogata dall’alimentazione.
Nell’amplificatore di figura 2.3, si suppone che la tensione di uscita sia una sinusoide con valore massimo pari a '
O
V e quindi la potenza media sul carico è
L O L R V P 2 ' 2 1 = 2.9
La corrente nel transistore Q2è costante e pari a I e quindi la potenza assorbita dall’alimentazione negativa è VCCI, non considerando la potenza assorbita dal transistore di polarizzazione Q3 connesso al diodo.
La corrente media nel transistore Q1 è uguale a I e quindi la potenza assorbita dall’alimentazione positiva è anche questa pari a VCCI .
I V
PS =2 CC 2.10
Combinando le equazioni 2.9 e 2.10 si ottiene
= = CC O L O CC L O V V IR V V IR V'2 ' ' 4 1 4 1
η
2.11 Poiché VO ≤VCC ' eVO ≤IRL ', l’efficienza massima si ha per
L CC
O V IR
V' = = 2.12
Il massimo rendimento ottenibile è pari al 25%.
A causa di questo valore abbastanza basso, l’amplificatore in classe A non è utilizzato per applicazioni di elevata potenza.
Si osservi che la tensione di uscita, in pratica, è limitata nei suoi massimi e minimi a valori inferiori a VCC per evitare sia la saturazione del transistore sia, di conseguenza, la distorsione non lineare.
Quindi l’efficienza raggiunge valori compresi tra il 10% e il 20%, inferiori a quanto detto sopra.
2.2.2 Classe B
In figura 2.6 è mostrato un amplificatore in classe B.
Come mostrato in figura 2.6, questo è formato da una coppia di amplificatori complementari, un npn ed un pnp, montati in modo tale che non possano condurre simultaneamente.
figura 2.6 Schema di amplificatore in classe B
Funzionamento del circuito
Nel caso in cui la tensione di ingresso vI è nulla, la tensione d’uscita è 0 perché nessun transistor è
in conduzione.
Non appena la vI diventa positiva e supera il valore di circa 0.7 V, il transistoreQN, un npn, entra
in conduzione e fornisce corrente al carico RL e vO segue la tensione di ingresso vI a meno di BEN
v ed in particolare vO =vI −vBEN.
Contemporaneamente il transistore QP è interdetto, infatti la giunzione emettitore-base è
polarizzata in inversa dalla VBE di QN.
Nel caso in cui in ingresso ci sia un segnale negativo che sia minore di –0.7 V, il transistore QP, un
pnp, conduce fornendo corrente al carico RL e la tensione d’uscita vO segue la vI a meno del
valore della vbep, vO =vI +vBEP.
In questo caso è il transistore QN ad essere interdetto.
Quindi i transistor del classe B di figura 2.6 sono polarizzati con un valore nullo di corrente e conducono solo in presenza del segnale d’ingresso.
L’intero circuito funziona da in modo push-pull cioè tira-molla ed in particolare QN fornisce
corrente al carico quando vI è positiva, molla, e QP assorbe corrente dal carico quando vI è
Caratteristica di trasferimento
In figura 2.7 è graficata la caratteristica di trasferimento dell’amplificatore in classe B.
Si noti che esiste un intervallo di vI centrato intorno allo zero in corrispondenza del quale i
transistori sono interdetti e vO è nulla.
Questo provoca una distorsione di attraversamento detta distorsione di crossover, graficata in figura 2.7 nel caso in cui in ingresso ci sia un’onda sinusoidale e questo effetto è più pronunciato quanto più l’ampiezza del segnale d’ingresso è piccola.
La distorsione di crossover negli amplificatori audio di potenza dà luogo a suoni piuttosto sgradevoli.
figura 2.8 Grafico della tensione di ingresso e di uscita
Rendimento di potenza
Per calcolare l’efficienza η di conversione della potenza per un amplificatore in classe B, si trascura la distorsione di crossover e si considera il caso di una sinusoide di uscita con ampiezza di valore
'
O
V .
La potenza media di carico è
L O L R V P 2 ' 2 1 = 2.13
La corrente assorbita da ogni alimentatore è formata da una semionda con ampiezza di picco
L
O R
V' .
Quindi la corrente media assorbita da ciascuno degli alimentatori è VO
π
RL' .
Ne consegue che la potenza media assorbita da ciascun alimentatori è la stessa
CC L O S S V R V P P ' 1
π
= = − + 2.14e la potenza totale dei generatori è
CC L O S V R V P ' 2
π
= 2.15Così l’efficienza è data da CC O V V' 4
π
η
= 2.16Ne consegue che l’efficienza massima si ottiene in corrispondenza del massimo di VO' .
Questo massimo è limitato dalla saturazione di QN e di QP per VCC −VCEsat ≈VCC.
Per questo valore di picco della tensione d’uscita, il rendimento di potenza è data da
% 5 , 78 4 max = =
π
η
2.17questo valore è molto più grande di quello ottenuto per il classe A che era del 25%.
Si può notare anche che la massima potenza media fornita da un classe B si ottiene mediante la sostituzione di VO =VCC ' nell’equazione 2.13. L CC L R V P 2 max 2 1 = 2.18 Dissipazione di potenza
A differenza dell’amplificatore in classe A, che dissipa la massima potenza nello stato di riposo, cioè quando vO =0, la dissipazione di potenza a riposo dell’amplificatore in classe B è zero.
Quando è applicato un segnale di ingresso, la potenza media dissipata da un classe B è
L S
D P P
P = − 2.19
Sostituendo PS dall’equazione 2.15 e PL dall’equazione 2.13 si ottiene
L O CC L O D R V V R V P 2 ' ' 2 1 2 − =
π
2.20A causa della simmetria circuitale, si osserva che il 50% di PD è dissipata in QN, mentre l’altro
50% in QP.
Quindi i transistori QN e QP devono essere in grado di dissipare 12PD, che dipende dal valore di
'
O
V .
Si deve trovare la dissipazione di potenza massima, PDMAX, che rappresenta il caso peggiore e lo si
fa derivando l’equazione 2.20 rispetto a VO' ed uguagliando la derivata a zero.
Si ottiene il valore di VO che causa la massima dissipazione di potenza media
CC P O V V D
π
2 max ' = 2.21Per trovare la PDMAXsi sostituisce il valore ottenuto nell’equazione 2.20 e si ricava
L CC D R V P 2 2 max 2
π
= 2.22 da cui L CC DP DN R V P P 2 2 max maxπ
= = 2.23Nel punto di massima dissipazione di potenza l’efficienza si ottiene sostituendo la VO' , fornita
dall’equazione 2.21, nell’equazione 2.16 ottenendo così un
η
=50%.In figura 2.9 è graficato l’andamento di PD, ricavato dall’equazione 2.20 in funzione della tensione
figura 2.9 Grafico della potenza dissipata al variare di V0
Dalla figura 2.9 si ricava che un incremento del valore di VO' oltre 2VCC
π
a diminuire la potenzadissipata da un amplificatore in classe B mentre fa diminuire la potenza di carico a discapito però di un incremento della distorsione lineare causato dall’avvicinamento alla zona di saturazione di QN e
di QP.
Il fenomeno della saturazione ha l’effetto di appiattire i picchi della forma d’onda sinusoidale in uscita all’amplificatore come riportato in figura facendo aumentare il valore del THD cosa che non si addice a sistemi che richiedono un basso valore del THD come gli amplificatori audio.
La distorsione di crossover
La distorsione di crossover di un amplificatore in classe B può essere evitata utilizzando un amplificatore operazionale ad alto guadagno ed una controreazione complessiva negativa, come riportato in figura 2.10.
La banda compresa tra i −0,7V e i +0,7V è riportata ad una banda compresa tra i −0,7 AO e i O
A
7 ,
0 , dove AO è il guadagno in continua dell’amplificatore operazionale.
Il lato negativo è dato dalla limitazione imposta dallo slew-rate dell’amplificatore operazionale che impone un limite ai tempi di attivazione e di interdizione dei transistori in uscita che sono rilevanti alle alte frequenze.
figura 2.10 Schema circuitale di un classe B
Il fenomeno della distorsione di crossover è eliminato mediante l’amplificazione in classe AB.
Funzionamento del classe B con alimentazione singola
L’amplificatore in classe B può funzionare con un singolo alimentatore e il carico è accoppiato capacitativamente, come riportato in figura 2.11.
figura 2.11 Schema circuitale di un classe B
2.2.3 Amplificatore in classe AB
Si può eliminare la distorsione di crossover polarizzando i transistori complementari con una corrente piccola diversa da zero, come riportato in figura 2.12.
Al contrario del classe B, una tensione di polarizzazione è presente tra le basi del transistore QN e del transistore QP.
figura 2.12
Per vI =0 e vO =0 ai capi della giunzione base-emettitore sia di QN che di QP è presente una tensione di valore pari a VBB 2e supponendo che i componenti siano perfettamente complementari,
si ottiene la seguente relazione
T BB V V S Q P N i I I e i = = = 2 2.24
dove IQ è la corrente di polarizzazione richiesta fornita dal generatore di tensione VBB.
Funzionamento del circuito in classe AB
Quando vI subisce un incremento positivo, la tensione sulla base di QN segue lo stesso incremento e l’uscita diventa positiva con un incremento quasi uguale
BEN BB I o v V v v = + − 2 2.25
Il valore positivo di vO fa scorrere una corrente iL attraverso RL e quindi iN deve aumentare.
l P
N i i
i = + 2.26
L’incremento di iNva di pari passo con un incremento di vBEN rispetto al valore del punto di lavoro
che è pari a VBB 2.
L’incremento di vBEN produce un decremento della stessa quantità di vBEP e quindi di iP, perché la tensioni tra le due basi dei due transistori rimane fissa e pari a VBB.
La relazione tra iN ed iP è riportata nell’equazione seguente
2 ln 2 ln ln Q P N S Q T S P T S N T BB BEP BEN I i i I I V I i V I i V V v v = = + = + 2.27
Quindi, quando cresce iN decresce iP della stessa quantità, ma il loro prodotto rimane costante. Per un valore fissato di iLe combinando insieme le equazioni 2.26 e 2.27 si ottiene iN come soluzione dell’equazione biquadratica
0 2 2 − − = Q N L N i i I i 2.28
Riassumendo, se la corrente di uscita è fornita al carico da QN allora le tensioni di uscita sono positive e nello stesso momento la corrente fornita da QP decresce al crescere di vO, fino a poter essere trascurata quando la tensione di uscita vO è molto elevata.
Se invece le tensioni di ingresso sono negative la corrente di carico è fornita da QP e QN conduce una corrente che diventa tanto più piccola quanto vI diventa più negativo.
L’amplificatore in classe AB funzione in modo analogo a quello in classe B tranne che per piccoli valori della tensione di ingresso vI i transistori QN e QP sono contemporaneamente in conduzione e quando vI incrementa o decrementa entra in conduzione un transistore.
La distorsione è quasi completamente eliminata poiché la transizione è graduale, come graficato nella figura 2.13.
figura 2.13 Grafico della caratteristica di trasferimento
Le considerazioni sulla potenza relative all’amplificatore in classe B sono attuabili anche nel classe AB, con la differenza che in condizioni di riposo il circuito in classe AB dissipa una potenza pari a
Q CCI
V per transistor, che risulta essere molto piccola, infatti la corrente IQè molto più piccola della
massima corrente di carico.
Sommando la potenza dissipata a riposo e la massima dissipazione di potenza che si ottiene applicando un segnale in ingresso, si ottiene la potenza complessiva che il transistore deve essere in grado di dissipare per non essere danneggiato.
Resistenza d’uscita dell’amplificatore
Si suppone che il generatore di ingresso vI sia ideale e quindi la resistenza d’uscita dell’amplificatore in classe AB può essere determinata dal circuito di figura 2.14, sotto riportato, come
eP eN
out r r
figura 2.14 Schema circuitale di un classe AB
In figura 2.14 reN e reP sono rispettivamente le resistenze di emettitore per piccoli segnali di QN e di QP.
La tensione di ingresso determina le correnti iN e iP e quindi le resistenze reN e reP sono date da
N T eN i V r = 2.30 P T eP i V r = 2.31
Dalle relazioni sopra riportate si ottiene il valore di Rout come
N P T P T N T out i i V i V i V R + = = // 2.32
Nella regione intorno a vI =0 la resistenza d’uscita rimane costante poiché ad un incremento di iN corrisponde una diminuzione di iP e viceversa.
Questo è il motivo per il quale la distorsione di crossover, causa del cattivo funzionamento per gli amplificatori in classe B, è praticamente nulla.
Quando la corrente che scorre nel carico è molto elevata, solo una corrente tra iN e iP ha valori rilevanti, mentre Rout decresce al crescere della corrente di carico.
Polarizzazione del circuito
Si cerca come generare la tensione VBBnecessaria per la polarizzazione dell’amplificatore in classe AB.
Polarizzazione a diodi
In figura 2.15 è riportato un circuito di un amplificatore in classe AB nel quale la tensione di polarizzazione VBB tra le basi dei transistori è generata facendo scorrere una corrente costante Ibias attraverso una coppia di diodi D1 e D2.
I diodi possono essere sostituiti da transistori montati a diodo cioè con le loro basi ed i loro collettori cortocircuitati.
Nei sistemi ad alta potenza i transistori d’uscita sono grandi, mente i diodi di polarizzazione non devono essere necessariamente grandi e quindi la corrente di riposo IQ stabilita in QN e in QP è
bias
Q nI
I = 2.33
dove n è il rapporto tra l’area della giunzione di emettitore dei componenti d’uscita e l’area della giunzione dei diodo polarizzanti e quindi la corrente di saturazione IS dei transistori di potenza è n volte quella dei diodi di polarizzazione.
Un progetto basato sui rapporti tra le aree è semplice da implementare nei circuiti integrati ma è difficile da realizzare nei circuiti a componenti discreti.
figura 2.15 Schema circuitale di un classe AB polarizzato a diodi
Riferendosi alla figura 2.15, quando l’amplificatore fornisce corrente al carico RL, la corrente di base del transistore QN passa da un valore piccolo IQ
β
N ad un valore prossimo a iLβ
N e questo incremento deve essere fornito dal generatore di corrente Ibias .Quindi il generatore di corrente deve poter produrre una corrente di valore superiore alla corrente massima assorbibile dalle base di QN e questo è un limite inferiore per il valore della corrente fornita dal generatoreIbias.
Ricordando che IQ =nIbiase che IQ è normalmente molto più piccola della massima corrente che scorre nel carico, circa il 10%, è evidente che non è possibile scegliere un valore molto elevato per n e quindi i diodi non possono essere molto più piccoli dei transistori di potenza di uscita.
Questo è uno svantaggio progettuale per la polarizzazione a diodi.
Da quanto osservato precedentemente, quando il transistore QN fornisce corrente al carico, la corrente che scorre nei diodi di polarizzazione diminuisce e quindi la tensione di polarizzazione VBB diminuisce.
A causa di questo effetto lo studio fatto sopra deve essere modificato.
Questo tipo di polarizzazione non ha solo svantaggi, ma anche un vantaggio, quello di fornire una stabilizzazione termica della corrente a riposo dei transistori di uscita.
Si valuta questo vantaggio considerando che l’amplificatore in classe AB dissipa potenza in condizioni di riposo e questo fa aumentare la temperatura interna dei BJT, provocando una diminuzione della VBE di circa –2mV/C°, se la corrente di collettore rimane costante.
Se invece si mantiene costante la VBE e si verifica un aumento della temperatura, allora cresce la corrente di collettore, provocando un fenomeno di controreazione positiva detto di fuga termica, che può provocare la rottura dei transistori.
Il montaggio di polarizzazione a diodi può essere predisposto per fornire un effetto compensatore che può proteggere i transistori di potenza contro le fughe termiche in condizioni di riposo.
Se i diodi sono in forte contatto termico con i transistori di uscita la loro temperatura aumenta della stessa quantità di QN e di QP.
In questo modo la VBBdiminuisce della stessa quantità della somma delle tensioni di base dei transistori e di conseguenza la corrente IQ rimane costante.
Lo stretto contatto termico è di facile realizzazione nei circuiti integrati, mentre è nei circuiti a componenti discreti lo si realizza montando i diodi di polarizzazione sul package dei transistori QN e QP.
Polarizzazione mediante moltiplicatore di VBE
Sotto è riportato lo schema circuitale di polarizzazione che permette al progettista una maggiore flessibilità sia nei progetti a componenti discreti che in quelli a circuiti integrati.
Il circuito di polarizzazione è formato da un transistore Q1, da un resistore R1 connesso tra la base e
l’emettitore e da un resistore R2 di controreazione connesso tra il collettore e la base.
Il circuito di polarizzazione è alimentata da un generatore di corrente capace di fornire una corrente costante Ibias.
Se si trascura la corrente che entra nella base del transistore, la corrente IR scorre solamente nelle resistenze R1 eR2 ed è 1 1 R V IR = BE 2.34 La tensione VBB è quindi
(
)
+ = + = 1 2 1 2 1 1 R R V R R I VBB R BE 2.35Il circuito sopra descritto, detto moltiplicatore di vBE, moltiplica vBE1, per un fattore
(
1+R2 R1)
.Il fattore moltiplicativo è a discrezione del progettista, in quanto formato da un rapporto di resistori, e quindi si può stabilire il valore di VBB necessario per avere la corrente IQ voluta.
Il rapporto di resistenze è facilmente controllabile nei circuiti integrati, non nei sistemi a componenti discreti, dove il progettista utilizza un potenziometro regolato manualmente per ottenere il valore desiderato di IQ.
figura 2.17 Schema circuitale di un classe AB polarizzato con moltiplicatore di VBE
Il valore di vBE1, relativo all’equazione 2.35, è determinato da quella parte di Ibias che scorre nel collettore del transistore Q1
R bias C I I I 1 = − 2.36 = 1 1 1 ln S C T BE I I V V 2.37
dove si è trascurato la corrente di base di QN, che è nominalmente piccola sia in condizioni di riposo sia quando la tensione d’uscita assume valori negativi.
Al contrario quando la tensione è positiva in special modo quando è prossima al suo valore di picco, la corrente di base di QN può diventare considerevole e può togliere corrente al moltiplicatore di
1
BR
v .
Nonostante questo fatto, le grandi variazioni di IC1 corrispondono solo a piccole variazioni di vBR1
e quindi la diminuzione della corrente è assorbita maggiormente dal transistore lasciando IR e di conseguenza VBB di valore costante.
Allo stesso modo della rete di polarizzazione a diodi, il circuito di moltiplicatore di vBE può fornire una stabilizzazione termica di IQ.
Questo è più verificato se R1 =R2 e se il transistore del moltiplicatore è in stretto contatto con i
transistori di uscita.
2.2.4 Amplificatore in classe C
Si può ben immaginare quanto sia conveniente far lavorare gli amplificatori in classe C, vista l'utilità del circuito volano.
Questa classe di funzionamento, infatti, ha un rendimento molto elevato; questo perché il componente attivo lavora solo per brevi istanti di tempo, dopodiché, con il circuito volano, è possibile anche ricostruire un'intera onda di 360°.
Un problema è che il circuito volano ricostruirà solo sinusoidi e non un qualsiasi altro segnale variabile non sinusoidale.
Il circuito volano, essendo un circuito LC sollecitato da impulsi esterni, oscilla alla sua frequenza di risonanza ma la sua oscillazione segue rigorosamente una legge sinusoidale.
Per tale motivo, gli amplificatori in classe C possono essere utilizzati solo in pochi campi applicativi, cioè quando si voglia amplificare semplici segnali sinusoidali.
La classe C ha il rendimento più elevato, 70-80%, ma, per contro, la distorsione più alta.
Se si osservasse ciò che si ottiene al collettore di un transistor funzionante in classe C, si noterebbe un segnale impulsivo.
Se si applicasse all'ingresso di un amplificatore in classe C un segnale variabile non sinusoidale, si otterrebbe in uscita un segnale amplificato con la stessa frequenza di quello entrante ma con una forma d'onda sinusoidale.
Ecco, quindi, che un amplificatore in classe C risulta utile nel campo della radiofrequenza per la costruzione di amplificatori di media/grande potenza, data la sua vantaggiosa caratteristica di alto rendimento e nei casi in cui si deve amplificare la sola onda portante, carrier.
Si parla di segnali a modulazione di frequenza FM oppure quelli di tipo mark/space come i segnali della modulazione telegrafica CW o quelli per radio-telescriventi RTTY.
Un amplificatore in classe C non può essere idoneo per amplificazione di segnali a modulazione d'ampiezza AM o diretti derivati dell'AM come quelli in banda laterale DSB ed SSB.
In AM ed in banda laterale, l'inviluppo dell'onda modulata riproduce l'andamento del segnale elettrico modulante, cioè quello trasdotto dalla voce, ed un amplificatore in classe C distorcerebbe, fino all'intelligibilità, l'informazione contenuta.
In FM, invece, dove l'informazione è implicitamente contenuta in una lieve variazione della frequenza dell'onda portante e non in una variazione d'ampiezza, l'amplificazione in classe C è una cosa possibile ed anche conveniente perché ciò che verrà amplificato dal transistor è la sola onda portante, la cui forma è semplicemente sinusoidale.
Il progetto di un amplificatore in classe C con transistor BJT risulta, sotto certi aspetti, più semplice rispetto al progetto per classi di funzionamento diverse.
Per polarizzare in classe C un transistor BJT è necessario un BIAS negativo, quanto basta per farlo lavorare leggermente sotto la soglia d'interdizione.
Con i transistori BJT opportunamente studiati per applicazioni RF, nella realtà dei fatti, la classe C è possibile ottenerla in un modo ancor più banale, cioè semplicemente omettendo la polarizzazione all'elettrodo di base.
In tal caso, la conduzione si avrà, comunque, per un tempo minore di mezzo periodo del segnale d'ingresso, poiché il segnale da amplificare applicato sulla base, in assenza di BIAS, porterà in conduzione il transistor solo a partire dal valore di soglia, circa 650-700mV, e smetterà di condurre quando l'onda alla base scenderà al di sotto della stessa soglia.
Per amplificare segnali AM o in banda laterale, il componente attivo dell'amplificatore deve, necessariamente, lavorare in classe A o AB.
2.2.5 Amplificatore in classe D
Un amplificatore in classe D è un amplificatore in cui il transistor di uscita opera come un “tasto”. Quando il transistor è spento, la corrente che lo attraversa è circa zero.
Quando è acceso, la tensione fra drain e source è molto bassa, idealmente zero. In questo modo, la dissipazione di potenza dell’elemento attivo è molto bassa.
Ciò aumenta l’efficienza, e dunque permette di usare minor potenza dalla sorgente di alimentazione e dissipatori di calore più piccoli per gli elementi attivi.
Un amplificatore in classe D fornisce in uscita un’onda quadra, che può assumere i valori V+ e V -dell’alimentazione, il cui duty cicle è modulato dal segnale in ingresso.
figura 2.18 Schema di principio di un amplificatore in classe D.
L’amplificatore consiste in un comparatore che pilota due transistor MOSFET che operano come tasti.
Il comparatore ha due ingressi: uno è un’onda triangolare, l’altro è il segnale audio.
La frequenza del segnale triangolare deve essere molto maggiore di quella del segnale di ingresso, in modo che le variazioni di quest’ultimo siano pressoché nulle rispetto alle variazioni dell’onda triangolare.
Inoltre l’ampiezza del segnale triangolare deve essere maggiore o uguale alla massima ampiezza che può avere il segnale di ingresso audio.
L’uscita del comparatore può essere così scritta:
vc = -V1 per vs > vt 2.38
vc = +V1 per vs < vt 2.39
Con vc = -V1,M1 è acceso e M2 è spento, e l’uscita vo’ = V+.
Per il caso vs = 0, vo’ è un’onda quadra simmetrica, con duty cicle del 50%.
Il filtro LC è un passa basso che estrae il valor medio dell’uscita vo’ ,che è proporzionale al segnale audio di ingresso.
La seguente figura mostra come l’uscita vo’ sia modulata dal segnale di ingresso: tanto più il segnale di ingresso è alto, tanto più l’uscita è positiva per un tempo maggiore:
figura 2.19 Andamento nel tempo dei segnali di ingresso, uscita e dell’onda triangolare per un classe D switching
2.3 Gli utilizzatori
Sicuramente le casse sono tra i componenti hifi di più difficile scelta.
Si cercherà intanto di capire alcuni concetti di base per poi addentrarci nella disamina di alcuni possibili criteri di scelta.
Le casse, diffusori, speakers o sistemi di alto parlanti, hanno il delicatissimo compito di trasformare il segnale elettrico che proviene dall’amplificatore in segnale acustico percepibile dall’ orecchio. Il principio in base al quale gli altoparlanti dinamici funzionano è grosso modo il seguente: una bobina solidale con la membrana dell’altoparlante è immersa in un campo magnetico generato da un magnete ovvero la calamita che c’è dietro gli altoparlanti.
Il passaggio della corrente alternata, il segnale, prodotta dall’amplificatore genera nella bobina una forza elettromotrice che la fa spostare avanti ed indietro all’interno del campo magnetico. Conseguentemente, essendo la membrana dell’ altoparlante solidale con la bobina, l’altoparlante stesso viene posto in movimento generando così uno spostamento d’aria cioè onde sonore.
Le casse dinamiche possono essere divide in tre grandi famiglie, a seconda che il mobile sia completamente chiuso o aperto verso l’esterno; sospensione pneumatica o cassa chiusa, bass reflex o cassa aperta tramite un tubo e linea di trasmissione o casse aperte tramite un labirinto acustico.
Non esistono, come per tutti gli altri oggetti hifi, dei principi di costruzione intrinsecamente migliori di altri.
Ogni approccio a dei pro e dei contro.
Nel sistema a sospensione pneumatica le frequenze emesse dalla parte posteriore del woofer sono in pratica eliminate.
L’aria chiusa all’interno fa da elemento elastico per controllare il movimento dell’altoparlante. Nei sistemi bass reflex l’emissione posteriore del woofer viene accordata su una certa frequenza tramite un tubo in modo tale che contribuisca anch’essa alla risposta sui bassi della cassa.
Potenza di un amplificatore
Intanto per le casse la potenza è intesa come potenza supportata in quanto, essendo componenti passivi, di proprio non possono generare un bel nulla, quindi è completamente sbagliato ritenere che casse più potenti, col significato appena visto, suonino più forte, perché non sono amplificatori. In realtà il parametro che identifica la capacità di una cassa a suonare più forte a parità di potenza dell’amplificatore esiste e va sotto il nome di efficienza o meglio sensibilità.
Una cassa ad alta efficienza produrrà una pressione acustica, misurabile in decibel db, superiore a quella prodotta da una cassa a bassa efficienza, le casse ad alta efficienza sarebbero le più desiderabili, purtroppo nella realtà costruire dei diffusori siffatti comporta tutta una serie di problemi tecnici che limitano fortemente le possibilità dei costruttori, non ultimo l’alto costo dei buoni altoparlanti con tali caratteristiche.
Ci sono altri parametri che concorrono alla determinazione delle caratteristiche tecniche di un diffusore.
Tra i più importanti c’e’ sicuramente quello del carico elettrico offerto all’amplificatore.
Pilotaggio
Oltre alla potenza, nel retro della cassa troverete anche un altro dato: l’impedenza. L’impedenza non ha alcuna relazione con la qualità della cassa.
Contrariamente a quanto può suggerire l’intuito non e’ affatto vero che un impedenza più bassa indichi un diffusore più facile da pilotare.
2.3.1 Struttura dell’altoparlante
Vi sono rari altoparlanti specializzati che hanno una struttura e un funzionamento del tutto particolari altoparlanti elettrostatici, al plasma.
Ma nella maggioranza dei casi gli altoparlanti sono di tipo dinamico, che è adottato nel 99% dei casi.
E' insomma ben difficile che incontriate gli altri tipi.
Agli altoparlanti dinamici è infatti affidata la riproduzione del suono del computer, delle casse degli impianti Hi-Fi, degli annunci nelle stazioni ferroviarie, della colonna sonora dei film nelle sale cinematografiche come della musica prodotta nelle cuffiette dei walkman, delle radio da tavolo e dei televisori di ogni tipo.
Costruzione di un altoparlante dinamico
E' costituito da un cono o membrana, che nella maggior parte dei casi è costituito da cartone, anche se in diversi casi oggi si usa della plastica.
Al bordo esterno del cono c’è una sospensione realizzata con l’impiego di gomma o, nei modelli economici, con cartoncino ondulato, che lo ancora ad una struttura di supporto in metallo chiamato cestello.
L'altro bordo del cono è solidale con una bobina.
La bobina è posta attorno ad una calamita o magnete permanente, la calamita a sua volta è saldata al cestello, mentre la bobina è saldata al cono ed è libera di muoversi al muoversi di questo, che viene trattenuto in sede sia dalla sospensione di cui si è parlato fino ad ora, sia da un apposito centratore. L’insieme del magnete, cioè la parte fissa, e della bobina,parte mobile, è chiamato motore.
figura 2.20 Rappresentazione di un altoparlante
Ecco i costituenti principali di un altoparlante. In grigio c’è il cono, di solito in cartone.
Un bordo del cono è trattenuto da un anello in magenta che è la sua sospensione al cestello, una struttura metallica di sostegno qui schematizzata in blu.
Dall' altra parte del cono c’è un tubo con attorno un avvolgimento elettrico la bobina, rossa e nera. Essa è ben saldata al cono e entra in contatto posteriormente con un magnete in verde.
La sospensione è morbida e permette quando la bobina si sposta avanti e indietro, ovvero quando tende ad andare verso il magnete o ad allontanarsi dal magnete di far spostare avanti e indietro anche il cono.
Il bordo esterno del cestello ha un anello piatto con i fori per fissare l'altoparlante alla cassa acustica, mediante opportune viti.
Riassumendo, le parti principali sono 5: il cono, la sospensione, il cestello, il magnete, la bobina.
Funzionamento
Quando la bobina viene fatta attraversare da una corrente che scorre in un senso ad esempio, da A a B, essa emette un campo magnetico.
Se il polo posteriore di questo campo è uguale a quello anteriore della calamita, la bobina sposterà in avanti il cono, perché i due poli di segno uguale tendono a respingersi.
Al contrario, se si fa scorrere la corrente applicandola in modo inverso da B ad A i poli saranno opposti, e il cono tenderà ad andare indietro, perché i due poli di segno opposto tendono ad attirarsi. Ci saranno dunque delle escursioni del cono, maggiori o minori a seconda della potenza del segnale applicato o proporzionale all'intensità del campo magmatico prodotto dalla bobina e in numero proporzionale al numero di cambiamenti di polarità della corrente applicata alla bobina.
In altre parole, se si cambia polarità alla corrente alla bobina due volte al secondo, il cono si sposterà due volte al secondo.
Se si applica una variazione con una frequenza di 1000 Hz, mille cicli +/- al secondo il cono si sposterà avanti e indietro 1000 volte al secondo, e quindi produrrà una frequenza udibile di 1000 Hz.
Se viene immesso un segnale con una corrente alternata a 3000 Hz, l'altoparlante riprodurrà un suono di 3000 Hz, un fischio più elevato.
Banda degli altoparlanti
Ci sono altoparlanti specializzati per bande di frequenza più o meno elevate: ovvero, costruiti per funzionare solo nell'ambito degli ultrasuoni ad esempio, quelli fatti per generare il segnale delle ecografie o per aprire le porte automaticamente al passaggio delle persone, altri altoparlanti costruiti per riprodurre frequenza elevate,i tweeter delle casse acustiche Hi-Fi, altoparlanti costruiti per riprodurre frequenze più basse, i woofer o addirittura i sub-woofer, altoparlanti aggiuntivi destinati riprodurre frequenza tanto basse da non essere riprodotte dalle comuni casse.
Se si applica una frequenza molto elevata ad un altoparlante grosso e pesante questo non riesce a riprodurre quella frequenza.
Infatti le oscillazioni del cono, ad esempio, 15.000 al secondo, sono troppe perché le sospensioni e il cono riescano a star loro dietro, andando avanti e indietro per un numero di volte così elevato. Quindi, si parla di taglio meccanico, in quanto l'altoparlante non riesce a star dietro meccanicamente a queste frequenze.
Ci possono essere dei progetti in cui si vuole attribuire ad un certo altoparlante una banda di frequenze più stretta di quella che sarebbe in grado di riprodurre.
Ad esempio, far suonare un woofer fino a 600 Hz, anche se sarebbe capace di arrivare a 1000. Perché dai 600 ai 4000 si ha un altro altoparlante più adatto.
