Amplificadores classe D (ART212)

 

Os equipamentos de telecomunicações (telefones celulares, etc.), áudio (MP3, CD-Players, gravadores digitais, etc.) e outros que são alimentados por bateria devem reunir qualidades especiais como excelente qualidade de som, boa potência e baixo consumo. As versões tradicionais analógicas que funcionam em classe A, B e C não atendem a estas exigências sendo, por este motivo, usados em todas essas aplicações, amplificadores de áudio Classe D. Veja neste artigo o que são estes amplificadores e quais são as vantagens no seu uso.

 

 

Os amplificadores de áudio tradicionais são circuitos analógicos, amplificando tensões e aplicando-as em transdutores como fones e alto-falantes, sem alterações de suas características, conforme mostra a figura 1.

 

É relativamente simples se obter um circuito amplificador linear usando componentes tradicionais como válvulas, transistores bipolares ou mesmo transistores de efeito de campo. Até mesmo um único transistor polarizado apropriadamente pode se tornar um amplificador simples, excitando um pequeno alto-falante ou fone de ouvido, como mostra a figura 2.

 

No entanto, este tipo de circuito não atende às necessidades modernas, principalmente dos equipamentos alimentados por baterias: seu rendimento é muito baixo. A maior parte da energia que é entregue a este tipo de circuito é convertida em calor nos componentes de potência. É só observar que os transistores de saída, mesmo para equipamentos com potências relativamente baixas, precisam ser montados em bons dissipadores de calor. Tocando nesses dissipadores quando o equipamento funciona o leitor pode ter uma idéia de quanta energia é perdida na forma de calor.

Para atender às necessidades dos novos equipamentos são usadas configurações de baixo consumo e alto rendimento. São os amplificadores Classe D que, para que o leitor entenda melhor como funciona, vamos explicar desde o início, comparando-os com os amplificadores tradicionais.

 

Classe A

A configuração mais simples para um amplificador é justamente a que mostramos na figura 2 e que pode ser analisada de uma forma mais completa com o circuito da figura 3.

 

Nesta configuração o transistor deve ser polarizado pelo resistor Rb de modo que ele opere no centro da reta de carga, mostrada na figura 4.

 

Isso significa que o transistor, juntamente com o transformador que alimenta o transformador formam um divisor de tensão e no coletor do transistor existe uma tensão equivalente a aproximadamente metade da tensão da alimentação. Assim, quando os sinais de áudio são aplicados na entrada deste circuito, eles fazem com que a tensão aplicada ao transformador oscile entre um máximo próximo da tensão de alimentação e um mínimo perto de 0 V conforme mostra a figura 5.

 

É evidente que, na ausência do sinal, o transistor precisa permanecer em condução para que a tensão no seu coletor se mantenha em metade da alimentação. Com isso o transistor permanece dissipando potência na forma de calor mesmo quando não há sinal na sua entrada.

As perdas neste circuito são tais que mais da metade da potência é dissipada na forma de calor, fora o fato de que mesmo no repouso seu consumo é alto. Algo inadmissível para uma aplicação alimentada por bateria.

 

Classe B

Um tipo de circuito que oferece um ganho de rendimento em relação ao anterior e por isso ainda é encontrado em algumas aplicações portáteis econômicas como rádios AM e FM de baixo custo é a que corresponde a etapa de saída Classe B em Push-Pull, cujo diagrama básico é mostrado na figura 6.

 

Neste circuito, o que se faz é polarizar os dois transistores de tal forma que eles fiquem perto do início do ponto de condução ou mesmo no corte, usando para esta finalidade um transformador especial. Este transformador tem um enrolamento com tomada central de tal forma que ao aplicar um sinal no seu primário, os semiciclos positivos polarizam o transistor A de modo que ele amplifique os sinais, enquanto que os semiciclos negativos polarizam o transistor B no mesmo sentido.

Assim, enquanto um transistor A amplifica apenas os semiciclos positivos do sinal, o transistor B amplifica apenas os semiciclos negativos. Na ausência do sinal, nenhum dos dois transistores conduz e o consumo do circuito é extremamente baixo. No coletor dos transistores temos um outro transformador que é usado como carga o qual reúne os sinais amplificados recuperando a sua forma original que aparece no seu secundário, conforme mostra a figura 7.

 

Apesar de seu bom rendimento este circuito tem alguns problemas.

O maior está no fato de se necessitar de um transformador driver e de um transformador de saída, que são componentes problemáticos, quanto ao custo e ao tamanho, principalmente se precisarmos de potências elevadas.

O segundo ponto está no fato de que os transistores “demoram” um pouco para começar a conduzir com o sinal aplicado, pois só fazem isso quando a tensão de base chega aos 0,7 V. Isso introduz certa distorção no sinal, conforme mostra a figura 8.

 

Polarizando o circuito de modo que o transistor fique prestes a conduzir, conforme mostra a figura 9, podemos eliminar essa distorção e obter amplificadores de boa potência e excelente qualidade de som.

 

Na verdade, usando transformadores feitos com chapas especiais (ultra-lineares) e válvulas em lugar dos transistores (ou mesmo MOSFETS de potência) a distorção por cruzamento (cross-over) como é chamada, pode ser reduzida a valores desprezíveis obtendo-se com isso os melhores amplificadores em qualidade de som. Existem grupos de entusiastas de som que dizem que tais amplificadores são insubistituíveis em termos de qualidade de som, e compra equipamentos especiais que custam milhares de dólares. Um amplificador “ultralinear” com saída em push-pull classe AB usando válvulas com anodos revestidos de ouro podem ter preços que chegam perto dos 10 000 dólares!

 

Classe C

Nos amplificadores Classe C os elementos ativos como, por exemplo, os transistores são polarizados de modo que eles conduzam apenas metade dos ciclos dos sinais de entrada, conforme mostra a figura 10.

 

Esses amplificadores não usados em aplicações que envolvam, sinais de áudio pela distorção que introduzem.  No entanto, com o uso de filtros de saída apropriados, que eliminam as harmônicas geradas no processo de amplificação e devolvam a forma senoidal original de um sinal de alta freqüência, eles podem ser usados em transmissores. Na figura 11 mostramos uma etapa de saída típica de um transmissor em classe C.

 

 

Classe D

A idéia básica das etapas em classe B é trabalhar com impulsos. Trata-se, de certa forma, de uma digitalização do sinal de áudio, se considerarmos que os impulsos são quantidades discretas. Assim, para que o leitor tenha uma idéia de como isso funciona vamos partir de uma configuração simples em ponte usando transistores de efeito de campo de potência e que é mostrada na figura 12.

 

Tomando como exemplo um sinal de áudio de entrada que corresponda a uma senóide podemos transformá-lo em impulsos amostrando sua intensidade num certo número de instantes. Assim, pelo critério de Nyquist, que é usado quando se trata da digitalização de sinais, vemos que, para podermos reproduzir este final com fidelidade precisamos ter um número de pelo menos 3 amostragens por ciclo de sinal. Na prática, a amostragem é feita com uma freqüência muitas vezes maior do que a maior freqüência de áudio que deve ser reproduzida.  Nos circuitos comuns usados em equipamentos comerciais, para se recuperar o sinal original com boa fidelidade a amostragem deve ser feita numa freqüência pelo menos 10  vezes maior que a freqüência maior que se deseja reproduzir.

Assim  como mostra a figura 13, com um grande número de amostragens, poderemos recuperar o sinal original com mais facilidade quando o passamos por um filtro apropriado.

 

Podemos dizer que o que se faz então é transformar a intensidade do sinal não em valores digitais, como num conversor ADC mas sim em pulsos de largura proporcional à esta intensidade.  O circuito é na realidade um PWM onde a integração das larguras dos pulsos vai corresponder ao sinal que deve ser reproduzido.

Pela sua intensidade esses pulsos vão saturar os transistores de saída de modo que, estando no estado ligado ou desligado eles, teoricamente não dissipam potência alguma, conforme mostra a figura 14.

 

Quando conduzem a resistência entre dreno e fonte é zero e por isso a tensão nula, e quando estão abertos a corrente é nula. É claro que, na prática, no curto intervalo de tempo em que o transistor comuta, uma certa potência é dissipada, mas ela é muito menor do que a que se perde um amplificador linear. Para que a carga não receba diretamente pulsos, o que não levaria a reprodução do sinal original, deve-se ter um circuito de filtragem como o mostrado na figura 15.

 

O sinal é então integrado, sendo levado à sua forma analógica original para a reprodução, conforme mostra a figura 16.

 

Na figura 17 temos um amplificador completo em classe D com seus blocos como encontramos em circuitos integrados usados em telecomunicações.

 

O fato de trabalharmos com amostragem e depois com pulsos introduz uma certa distorção harmônica nos sinais. No entanto, com a utilização de bons filtros, essa distorção pode ser levada a valores menores do que 1%. Valores desta ordem dificilmente seriam percebidos pelo ouvido humano. Outro problema com que os projetistas tem de trabalhar ao projetar amplificadores em classe D refere-se ao resíduo da alta freqüência de amostragem que pode resultar em ruídos.

 

Classe D na Prática

Quando tratamos de um projeto que use um amplificador em classe D é preciso saber com que tipo de sinal de áudio estamos trabalhando. Para a voz humana precisamos de uma faixa estreita, mas se temos um CD player ou um equipamento de som para ser ligado a um computador, a faixa deve ser mais larga. Precisamos de mais fidelidade.

Assim, nas aplicações práticas, em função da faixa de freqüências que devemos reproduzir temos as seguintes características:

 

Equipamento Faixa Passante Faixa de Freqüências de amostragem

Telecom (Celular, etc) 5 kHz 125 kHz a 1 MHz

Rádio AM/FM 15 kHz 250 kHz a 1 MHz

Audio em PC 20 kHz 250 kHz a 1 MHz

Audio de

Alta Fidelidade 20 kHz  250 kHz a 500 kHz

 

Veja que o projeto do filtro está diretamente ligado à freqüência de amostragem. Assim, para uma freqüência de amostragem de 250 kHz um filtro com um corte de 30 kHz deve proporcionar bons resultados.

Um ponto importante que deve ser considerado num projeto PWM está no fato de que o circuito continua produzindo pulsos mesmo quando não existe sinal de entrada. Observe que o alto falante recebe a corrente média dos sinais e ela é nula quando o sinal de entrada é zero. O alto-falante trabalha com a variação das larguras dos pulsos e isso exige que ele seja robusto. O fato dos pulsos de intensidade estarem sendo aplicados no alto falante mesmo sem sinal deve ser observado com cuidado pela EMI que este tipo de circuito pode gerar.

 

Eficiência Teórica

Teoricamente, trabalhando com pulsos retangulares, os transistores de saída só têm dois estados possíveis: condução e não condução. Supondo transistores ideais, nos dois estados eles não dissipam potência alguma e o rendimento teórico de um amplificador Classe D é 100%.

No entanto, os transistores demoram um certo tempo para passar do estado de não condução para plena condução e vice-versa, durante o qual eles se comportam como resistores, dissipando potência, conforme mostra a figura 18.

 

Quanto menos tempo eles passam nesta transição, menor é a potência dissipada e maior o rendimento, daí a necessidade de se usar transistores rápidos nestes circuitos. A quantidade de transições também influi neste rendimento, de modo que uma taxa de amostragem maior também implica em maior dissipação.

Os circuitos comerciais conseguem conciliar velocidades rápidas de amostragens com bom rendimento, chegando a valores tão altos como 88%.

 

Classes G e H

Outras configurações para amplificadores têm sido anunciadas por alguns fabricantes de equipamentos eletrônicos. Uma delas é a configuração denominada Amplificador Classe G desenvolvida pela Hitachi. Nesta configuração operam dois conjuntos de transistores amplificadores de saída. Um conjunto é alimentado com uma tensão mais baixa e o outro conjunto com uma tensão mais alta.

Quando o amplificador trabalha com sinais fracos, eles são amplificados pela etapa de menor tensão de alimentação e quando os sinais devem chegar ao pico da potência, eles são amplificados pela etapa que trabalha com alta tensão. Na figura 19 temos uma etapa de saída de um amplificador Classe G.

 

A idéia do amplificador Classe H foi lançada por uma empresa  chamada Soundcraft e é uma variação do amplificador Classe G.

Neste caso, também temos dois circuitos trabalhando com tensões diferentes. No entanto, quando um ciclo de um sinal deve ser amplificado, a partir inicial quando a tensão sobe é amplificada pela etapa de menor potência. Quando a intensidade do sinal chega ao ponto em que vai haver a saturação desta etapa, o circuito comuta automaticamente, e o restante do ciclo é amplificado pela etapa de maior potência. Para um amplificador Classe H temos um exemplo de etapa de saída na figura 20.

 

Conclusão

As aplicações modernas em que se alia o alto rendimento a uma boa fidelidade optam em sua maioria pelas etapas em Classe D ou PWM. Circuitos integrados dedicados de diversos fabricantes são disponíveis atualmente para projetos. Para equipamentos de som em que a potência e o rendimento já não são o objetivo principal, mas sim a maior fidelidade possível, outras etapas podem ser encontradas.

 


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