Amplificador Digital La nueva tendencia del audio digital Federico Cattivelli Matías Nogueira JEFI 04 Universidad ORT Uruguay 27 de Noviembre de 2004.

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1 Amplificador Digital La nueva tendencia del audio digital Federico Cattivelli Matías 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 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 ! Entrada analógica: NPWM (PWM Natural) Poca distorsión Entrada digital: UPWM (PWM Uniforme) Mucha distorsión a múltiplos de la frecuencia de entrada

9 Modulación PDM Modulación por densidad de pulsos

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

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

12 Amplificador Digital

13 Salida de Potencia Etapa Clase D

14 Dificultades de Diseño Componentes NO simétricos Sensibilidad al Jitter  Genera reducción de la Relación Señal a Ruido  Para tener SNR=100dB, Jitter MAX ≤ 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 Tasa de Sobremuestreo Frecuencia de salida SNRModulación Área de utilización de la FPGA 8384 KHz76 dBDS-UPWM16% SNRR.D.THDIMD Potencia 4Ω 48 dB69 dB0.12%0.01%15W 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 SDMPWM Área de utilización de FPGA 30%16% Eficiencia60%80% Potencia de salida9W15W

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