Amplificator Audio care Combină Tehnicile Liniare cu cele în Comutație

Capitolul 1- Introducere

Sunetul este cheia comunicării. Pe lângă limba vorbită, sunetul poate transmite emoţii şi idei prin intermediul muzicii, având un efect extraordinar. Urechea umană este un organ foarte complex şi capabil, putând cu usurinţă să detecteze cea mai mică distorsiune sau infidelitate a sunetului. Urechea umană poate detecta sunete cu frecvenţe cuprinse între 20 Hz şi 20 kHz, în funcţie de vârstă, sexul şi sănătatea urechii ascultatorului (de ex. un bărbat de vârstă medie poate detecta sunete cu frecventă de până la 15 kHz).

Ca atare, sarcina pe care o au inginerii din domeniul audio este extrem de dificilă, şi totodată foarte plăcută. De-a lungul anilor, aceştia au îmbunătăţit amplificatoarele audio astfel încât, distorsiunile sunt insesizabile.

În ultimii ani, se înregistrează o creştere a pieţii pentru amplificatoare audio cu putere mare de ieşire şi cu un număr din ce în ce mai mare de canale. Acesta este rezultatul creşterii gamei dinamice a echipamentelor audio şi a orientării spre sisteme de sunet multicanal (surround sound). În acelaşi timp dimensiunile echipamentelor au devenit din ce în ce mai mici. Sistemele audio mici, sistemele audio pentru maşină şi sistemele multimedia pentru calculatoarele personale dispun de un spaţiu care poate fi utilizat din ce în ce mai mic. Această limitare impune folosirea amplificatoarelor audio integrate, cu un număr mic de componente externe şi care să disipe o cantitate cât mai mică de putere. Cea mai mare cantitate de putere se disipă sub formă de căldură, astfel fiind necesare radiatoare destul de mari care ocupă spaţiul atât de preţios.

Industria amplificatoarelor audio de putere este foarte dezvoltată. Două topologii de amplificatoare se evidenţiază: amplificator liniar (analogic) şi amplificator în comutaţie (digital). În general amplificatorul liniar este caracterizat de o fidelitate înaltă, dar suferă de o eficienţă slabă. Pe de altă parte, amplificatoarele în comutaţie au o eficienţă foarte mare, dar produc nivele ridicate de zgomot şi distorsiuni armonice. Asfel o nouă tehnologie hibridă a fost gândită, pentru a obţine avantajele celor două topologii, în acelaşi timp căutând să se elimine dezavantajele lor. Astfel a apărut o nouă topologie de amplificatoare care combină tehnica liniară cu cea în comutaţie (Switch-Mode Assisted Liniar Amplifier -SMALA). Combinând un amplificator în comutaţie cu unul liniar, acest concept are ca scop obţinerea unei eficienţe cât mai aproape de cea a amplificatorului în comutaţie, păstrând fidelitatea înaltă a amplificatorului liniar. Datorită eficienţei mari nu mai este nevoie de acele radiatoare şi ventilatoare folosite pentru eliminarea căldurii, şi care măresc atât dimensiunile cât şi costul produsului final. Totodată mărimea şi greutatea sursei de alimentare pot fi reduse, datorită faptului că amplificatorul nu pierde o cantitate mare de putere.

1.1 Avantajele SMALA

Combinând un amplificator liniar ăi unul în comutaţie într-o singură topologie hibridă, este posibil să obţinem avantajele ambelor topologii, eliminând dezavantajele. Asta înseamnă că putem obţine un amplificator atât cu randament mare cât şi cu distorsiuni scăzute, cu dimensiuni mici şi foarte eficient din punct de vedere al costurilor. Avantajele SMALA sunt prezentate în figura 1.1. Aceste avantaje, adica, scăderea costurilor, a dimensiunilor şi a greutăţii sunt majore faţă de un dezavantaj care apare, adica creşterea complexităţii.

Figura1-1: Avantajele SMALA

Sunt patru topologii de SMALA, însă topologia paralelă controlată în tensiune se dovedeşte cea mai avantajoasă, prin urmare am considerat că această lucrare ar trebui să se concentreze pe această topologie.

Figura 1-2: Topologia SMALA paralelă controlată în curent

În această configuraţie, curenţii din cele două etaje se adună rezultând curentul de ieşire. Amplificatorul liniar controlează tensiunea de ieşire, iar amplificatorul în comutaţie se comportă ca un amplificator de curent reducând astfel sarcina văzută de cel liniar. În acelaşi timp bucla de reacţie negativă a amplificatorului liniar (NFB loop) reduce erorile care pot apărea la ieşire. Astfel amplificatorul liniar poate fi gândit ca fiind un filtru activ care lasă să treacă numai semnalul de intrare. Proiectarea atentă a celor două etaje duce la obţinerea unui amplificator cu distorsiuni apropiate de cel liniar şi cu eficienţa celui în comutaţie. O atenţie specială trebuie însă avută la proiectarea amplificatorului liniar pentru a ne asigura că acesta poate corecta zgomotul de înaltă frecvenţă produs de etajul în comutaţie.