DISSERTAÇAO DE AMPLIFICADORES

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINAPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA ELTRICAInstituto de Eletrnica de PotnciaAMPLIFICADORES CHAVEADOS PARA APLICAES EMUDIODissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina para obtenodo Grau de Mestre em Engenharia EltricaFRANK WEINER HEERDTFLORIANPOLIS, DEZEMBRO DE 1997.iiAMPLIFICADORES CHAVEADOS PARA APLICAES EMUDIOFRANK WEINER HEERDTESTADISSERTAOFOIJULGADAADEQUADAPARAOBTENODOTTULODEMESTREEMENGENHARIA, ESPECIALIDADEENGENHARIAELTRICAE APROVADAEMSUAFORMAFINAL PELO CURSO DE PS GRADUAO.________________________________________Prof. Enio Valmor Kassick, Dr.Orientador________________________________________Prof. Adroaldo Raizer, Dr.Coordenador do curso de Ps-Graduaoem Engenharia EltricaBANCA EXAMINADORA:________________________________________Prof. Enio Valmor Kassick, Dr.________________________________________Prof. Ivo Barbi, Dr. Ing.________________________________________Prof. Joo Carlos dos Santos Fagundes, Dr.________________________________________Prof. Sidnei Noceti Filho, Dr.iiiA minha familia,Benvenuto e Laura,Liane, Leonardo, Joselito e HaryivAGRADECIMENTOSAo prof. Enio Kassick, pela orientao, estmulo e espirito de aprendizado.AoscolegasMezaroba,Roger,Romaneli,Anderson,Reinaldo,FranklineDenise, pelo esforo conjunto e belo trabalho de equipe.Ao Ivan Eidt Coling, pela traduo do resumo emEsperanto e pelo empenho acincia e humanidade.Aos professores da UFSC pela formao adquirida.A Universidade Federal de Santa Catarina e a CAPES, pelo apoio financeiro.Ao Gastn, Luiz Cludio e o Dezotti pela amizade e apoio.vSUMRIOSIMBOLOGIA ............................................................................................................................xRESUMO................................................................................................................................xivABSTRACT .............................................................................................................................xvRESUMO................................................................................................................................xviCAPTULO 1 - UDIO-AMPLIFICADORES DEPOTNCIA1.1 INTRODUO ...................................................................................................................11.2 SINAIS DE UDIO .............................................................................................................11.2.1 Volume ....................................................................................................................11.2.2 Timbre.....................................................................................................................41.2.3 Altura ......................................................................................................................41.2.4 Sensibilidade de Audio........................................................................................51.3 AMPLIFICADOR ................................................................................................................61.3.1 Introduo...............................................................................................................61.3.2 Representao.........................................................................................................61.3.3 Ganho de Tenso [2] ..............................................................................................71.3.4 Ganho de Corrente .................................................................................................71.3.5 Ganho de Potncia..................................................................................................81.4 PARMETROS DE AMPLIFICADORES DE POTNCIA ...........................................................91.4.1 Potncia de Sada ...................................................................................................91.4.2 Distoro ..............................................................................................................111.4.3 Resposta em Freqncia.......................................................................................151.4.4 Taxa de Crescimento SR (Slew Rate)....................................................................161.4.5 Relao Sinal/Rudo .............................................................................................181.4.6 Fator de Amortecimento - FA (Damping Factor).................................................181.4.7 Sensibilidade.........................................................................................................201.4.8 Regulao da Fonte ..............................................................................................211.5 CLASSIFICAO DE AMPLIFICADORES [6], [1]................................................................221.5.1 Classe A ................................................................................................................221.5.2 Classe B ................................................................................................................24vi1.5.3 Classe AB..............................................................................................................261.5.4 Classe C [10] ........................................................................................................281.5.5 Classe D [1]..........................................................................................................281.5.6 Classe E [7] ..........................................................................................................311.5.7 Classe G [24]........................................................................................................321.5.8 Classe H................................................................................................................341.5.9 Classe I [9] ...........................................................................................................351.5.10Classe S.................................................................................................................371.6 POLARIZAO................................................................................................................381.7 RENDIMENTO COMPARATIVO PARA AS DIFERENTES CLASSES DE OPERAO................391.8 CLASSIFICAO QUANTO AO ELEMENTO FINAL DE AMPLIFICAO...............................401.8.1 Amplificadores Valvulados ...................................................................................401.8.2 Amplificadores Transistorizados ..........................................................................411.9 ENTRADAS .....................................................................................................................421.9.1 Desbalanceadas ....................................................................................................421.9.2 Balanceadas..........................................................................................................421.10 ALTO-FALANTES ........................................................................................................421.10.1Modelo Eltrico ....................................................................................................431.10.2Rendimento e Sensibilidade [17] [1] ...................................................................44CAPTULO 2 - AMPLIFICADORESCLASSE D2.1 INTRODUO .................................................................................................................452.2 ETAPAS DE FUNCIONAMENTO ........................................................................................462.2.1 Formas de Onda ...................................................................................................482.2.2 Formas de Onda ...................................................................................................522.3 ESTRATGIA DE MODULAO........................................................................................532.3.1 Modulao Por Largura De Pulsos Mltiplos A Dois Nveis (PWM)..................532.4 EQUACIONAMENTO........................................................................................................562.4.1 Conversor Meia-Ponte..........................................................................................562.4.2 Esforos nos Semicondutores ...............................................................................582.4.3 Tenso mxima sobre os Transistores e Diodos ..................................................592.4.4 Rendimento ...........................................................................................................602.5 FILTRO DE SADA...........................................................................................................61vii2.5.1 Resposta em Freqncia.......................................................................................612.6 CIRCUITO DE COMPENSAO.........................................................................................642.6.1 Metodologia de Projeto ........................................................................................652.6.2 Condio de estabilidade......................................................................................672.6.3 Funo de transferncia do compensador............................................................682.6.4 Posicionamento de plos e zeros ..........................................................................692.6.5 Sensor de Sada.....................................................................................................702.7 CIRCUITO DE COMANDO ................................................................................................712.8 TRATAMENTO DO SINAL DE ENTRADA............................................................................712.9 CONCLUSO...................................................................................................................72CAPTULO 3 - PROJETO DO AMPLIFICADOR CLASSE D3.1 INTRODUO .................................................................................................................733.2 CIRCUITO DE POTNCIA A SER PROJETADO ....................................................................733.3 ESPECIFICAES INICIAIS ...............................................................................................733.4 CLCULO DA TENSO E CORRENTE MXIMAS NA CARGA.............................................743.5 TENSO NECESSRIA NO BARRAMENTO CC...................................................................743.5.1 Atrasos no Circuito de Comando..........................................................................753.6 TRANSISTORES...............................................................................................................763.6.1 Tenso mxima .....................................................................................................763.6.2 Corrente mxima ..................................................................................................763.7 FILTRO DE SADA...........................................................................................................773.8 DIVISOR DE TENSO DE BARRAMENTO..........................................................................783.9 SENSOR DE TENSO DE SADA.......................................................................................803.10 CONTROLE .................................................................................................................813.11 CONCLUSO...............................................................................................................83CAPTULO 4 - RESULTADOS DE SIMULAO4.1 INTRODUO .................................................................................................................844.2 SIMULAO EM MALHA ABERTA...................................................................................844.2.1 Entrada de Dados .................................................................................................844.3 RESULTADOS .................................................................................................................864.3.1 Sinal de Modulao e Comando...........................................................................86viii4.3.2 Tenso e corrente sobre os transistores ...............................................................874.4 TENSO ENTRE OS TERMINAIS AB..................................................................................894.5 SADA ............................................................................................................................904.6 POTNCIA DE SADA.......................................................................................................914.7 SINAL DE ENTRADA E SADA..........................................................................................924.8 SIMULAO EM MALHA FECHADA.................................................................................944.8.1 Entrada de dados ..................................................................................................944.8.2 Sinal de Entrada e Sada ......................................................................................954.9 ANLISE EM FREQNCIA..............................................................................................984.9.1 Introduo.............................................................................................................984.9.2 Espectro Harmnico em Malha Aberta................................................................984.9.3 Anlise em Malha Fechada (MF) .......................................................................1014.10 MEDIDA DE DISTORO POR INTERMODULAO.....................................................1044.11 CONCLUSO.............................................................................................................107CAPTULO 5 - PROTTIPO IMPLEMENTADO E RESULTADOSEXPERIMENTAIS5.1 INTRODUO ...............................................................................................................1085.2 DIAGRAMA ESQUEMTICO...........................................................................................1085.2.1 Circuito de Potncia ...........................................................................................1105.2.2 Acionamento .......................................................................................................1105.2.3 Gerao de Tempo Morto...................................................................................1115.2.4 Modulador PWM ................................................................................................1125.2.5 Condicionador do Sinal de Entrada ...................................................................1125.3 RESULTADOS ...............................................................................................................1145.3.1 Sinal de Modulao e Comando.........................................................................1145.3.2 Tenso e corrente sobre os transistores .............................................................1175.4 TENSO ENTRE OS TERMINAIS AB................................................................................1215.5 SADA ..........................................................................................................................1215.6 SINAL DE ENTRADA E SADA........................................................................................1225.7 RESPOSTA EM FREQNCIA .........................................................................................1245.8 RESULTADOS EM MALHA FECHADA.............................................................................125ix5.8.1 Sinal de Entrada e Sada ....................................................................................1255.8.2 Resposta ao Impulso ...........................................................................................1305.9 ANLISE HARMNICA..................................................................................................1315.10 RENDIMENTO...........................................................................................................1335.11 CONCLUSO.............................................................................................................135BIBLIOGRAFIA......................................................................................................................136xSIMBOLOGIAE-Tenso de alimentao do barramento DC;Co-Capacitor total do filtro de sada;Lo-Indutor do filtro de sada;Ro-Resistor de carga que representa o modelo de anlise eltrica do alto-falante;Rse-Resistncia srie equivalente de Co;Vopp-Tenso de sada de pico a pico mximo;fs-Freqncia de chaveamento dos transistores de potncia;Vs-Amplitude alternada da rampa de comparao com o sinal de udio;fc-Freqncia de cruzamento de ganho;c -Freqncia angular de cruzamento;Rfz-Resistor de zero da realimentao do compensador;Riz-Resistor de zero da entrada do compensador;Rip-Resistor total de polo da entrada do compensador;Cf-Capacitor do polo da realimentao do compensador;Ci-Capacitor da entrada do compensador;R1,R2-Resistores do sensor de tenso (divisor resistivo);R3-Resistor de entrada do compensador descontando o equivalente thvenin do divisor resistivo;A-Ganho imposto pelo divisor resistivo;Lp-Nvel de presso sonora relativa em dB;p-Presso sonora em Pa (Pascal);po-Presso de referncia de 20x10-6Pa;Av-Magnitude de amplificao (ganho de tenso);ve-Amplitude de tenso de entrada;vs-Amplitude de tenso de sada;ve(t)-Tenso de entrada no tempo;vs(t)-Tenso de sada no tempo;xiGv-Ganho de tenso em dB;is -Corrente de sada;ie-Corrente de entrada;Is -Amplitude da corrente de sada;Ie-Amplitude da corrente de entrada;Gi-Ganho de corrente em dB;Ps-Potncia de sada;Pe-Potncia de entrada;Pmax-Potncia mxima;U-Tenso;R-Resistncia;Pef-Potncia eficaz;Uef-Tenso eficaz;Vnef-Valor eficaz da harmnica de ordem n;THD-Distoro harmnica total;IMD-Distoro por intermodulao;x(t)-Sinal genrico no tempo;y(t)-Sada de um sistema genrico;cos-Cosseno;-Freqncia angular [rad/s];SR-Taxa de subida ( slew rate );dvs-Derivada da tenso de sada;Vmax-Amplitude mxima de tenso;t-Tempo;fm-Freqncia limite devido ao SR;m-Freqncia angular limite, devido ao SR;Vsmax-Tenso mxima de sada;FA-Fator de amortecimento relativo impedncia de sada de amplificadores;xiiZsaida-Impedncia de sada do amplificador;Zcarga-Impedncia da carga;Vaberto-Tenso na sada do amplificador vazio;SV-Sensibilidade, em VRMS;SdbV-Sensibilidade e dBV;Sdbu-Sensibilidade e dBu;Vcc-Tenso de alimentao contnua;-Rendimento em %;ID-Corrente no diodo;IM-Corrente no mosfet;Il-Corrente no indutor;Lo-Indutncia do filtro de sada;Co-Capacitncia do filtro de sada;M1, M2-Transistores tipo mosfet;D1,D2-Diodos intrnsecos de M1 e M2 respectivamente;Pch-Perdas de chaveamento;fs-Freqncia de chaveamento;tcomut-Tempo total de comutao (subida + descida);Io-Corrente de sada;E-Tenso de alimentao de barramento;Pcon -Perdas de conduo;Po-Potncia de sada;Rdson-Resistncia de conduo do mosfet;-Fator de amortecimento relativo a resposta em freqncia de um sistema de 2a ordem;U-freqncia normalizada do plo ressonante do filtro de 2a ordem;Vse-Amplitude da tenso de rampa do modulador;Vc-Tenso de controle do modulador;s-Varivel complexa de laplace;Rse-Resistncia srie equivalente do capacitor de filtro;xiiiG(s) -Funo de transferncia da planta;H(s) -Funo de transferncia do circuito completo de realimentao;sc-Freqncia complexa do cruzamento de ganho;Vth-Tenso do equivalente thvenin;D-Perda de razo cclica;Dmax-Razo cclica mxima;D-Perda de razo cclica absoluto;ts -Tempo de bloqueio do mosfet (150ns);td -Tempo de entrada em conduo do mosfet (150ns);tm-Tempo morto (tempo em que os dois mosfets permanecem desabilitados (250ns X 2);ta-Tempo de atraso do circuito entre o sinal de controle e o gatilho do mosfet (300ns);tcom-Tempo devido a relao entre as tenses de comparao na gerao da rampa e falta de preciso nos extremos (800ns);Tc-Perodo de comutao (1/300kHz=3,33s);Vd-Tenso mxima de um mosfet comercial; Id-Corrente mdia mxima de um mosfet;Ciss-Capacitncia de entrada do mosfet;Coss-Capacitncia de sada do mosfet;Crss-Capacitncia de transferncia do mosfet;Rth-Resistncia trmica de conduo juno cpsula;Tjmax-Temperatura mxima na juno;fc-Freqncia do polo ressonante do filtro de sada;Cf-Capacitor do filtro;Lf-Indutor do filtro;Vep-Tenso de entrada de pico mximo;Vsp-Tenso de sada de pico mximo;Vspp-Tenso de sada de pico a pico mximo.xivRESUMOEstetrabalhotratadeamplificadoresdeudiooperandonomodocomutado,maisconhecidos como amplificadores digitais, ou ainda classe D. So apresentados os parmetrosbsicosutilizadosemudio,bemcomoespecificaes,classesdeoperaoeaanlisedaperformancedeamplificadoresdepotnciautilizadosemudio.tambmapresentadaaanlise completa do amplificador classe D com configurao em meia-ponte, juntamente commetodologia de projeto do circuito de potncia, comando, filtro e controle. O projeto completodeumamplificadordeudioutilizandoametodologiapropostabemcomoosresultadosdesimulao realizados para a estrutura projetada e resultados experimentais com as informaese os dados relativos implementao do prottipo so apresentados.xvABSTRACTThisworkpresentsastudyofaudioamplifiersoperatingatswitchingmode,alsoknownasdigitalamplifiers,orclassDamplifiers.Basicparametersinaudiousage,specifications,classesofoperationandperformanceanalysisofaudiopoweramplifiers,arepresented,aswellasacompleteanalysisoftheclassDamplifierinthehalf-bridgeconfigurationandthepowercircuitdesignmethodology,drive,filter,andfeedbackloop.Finally,theproposedswitchingamplifierdesignmethodology,simulationresultsandexperimental results of a 100W prototype are presented.xvi

TiucilaborotemasprisonIrekvencaiampliIikatoroiIunkciantaipersaltado.ankanomataiciIerecai(digitai)aD-klasaiampliIikatoroi.Oniprezentaslabazainparametroinuzatainensontekniko.speciIoin.klasoindeoperaciokaianalizondeplenumodesonIrekvencaiIinampliIikatoroi.EstasprezentataankalaplenaanalizodeD-klasaampliIikatoroenduonpontaarango.kunekunlametodologioporproiektodelapovumacirkvito.komando.Iiltrilokaireguligo.Eine.estasprezentatalakompletaproiektodesonIrekvenca ampliIikatoro. uzanta la proponitan metodologion. samkiel la rezultoi de simuloelhavitaiporlaproiektitastrukturokaieksperimentairezultoi.aldonitaideinIormoikaidatumoi koncernantai la ekestigon de la 100-vatta prototipo.1CAPTULO 1UDIO-AMPLIFICADORES DEPOTNCIA1.1IntroduoA utilizao de amplificadores de udio, bem como o nmero de aplicaes possveisimensa,pormaterminologiacomplexaeconfusa,fazendocomqueidiasequivocadastransformem caractersticas pouco importantes, em grandes figuras de mrito, para fabricantese consumidores.O objetivo deste captulo de apresentar uma parcela da terminologia bsica utilizadaemudio,especificaesdeamplificadores,classesdeoperaoetambmalgosobrealto-falantes.1.2Sinais de udioSoentendidoscomosendoaquelesquepodemserouvidosporsereshumanos,conformecaractersticasprpriasdecadaindivduo.Afimdeeliminarasubjetividadeeatingirtodososindivduosdefine-sesonsaudveiscomosendosemprepoucoacimadacapacidadedeaudiodapessoaquemaisescutaconformeascaractersticasqueseroapresentadas a seguir.1. 2. 1VolumeCorrespondeintensidadeouamplitudedosinaldeudio.Estrelacionadocomapotnciaqueumamplificadorcapazdegerar,apesardestedependertambmdaqualidadedo transdutor de sinais eltricos para mecnicos, ou seja, o alto-falante.2AmplitudeTempo0Figura 1.1 : Sinal sinusoidal puro com diferentes amplitudes.1. 2. 1. 1UnidadedemedidautilizadaA medida do nvel de sinal de udio pode ser expressa atravs de qualquer unidade depresso conhecida(Pascal, Bar, Libras/cm2, etc), porm muito utilizada a medida relativa aonvelmnimodapercepodoouvidohumanoque,emnveisabsolutos,de20Pa(equivalente a 0,2x10-9atm ou 0,2x10-9bar) na freqnciademaiorsensibilidadequesitua-seem torno de 2kHz, como apresentado por Martin D.W. em [3]. A medida relativa expressaem dB1 conforme apresentado a seguir:LpppodB = 20 log [ ] 1.1onde:Lp = Nvel de presso sonora relativa em dBp = presso sonora em Pa (Pascal)po = presso de referncia de 20x10-6Pa1

1 [decibel][De deci- + bel.]1.Unidadedeintervalodepotncia,iguala1/10dobel,correspondente,pois,aumintervalotalquearazoentreaspotnciasextremasseja1,259,efreqentementeempregadaparaexprimirdiferenasdenvel de sensao acstica. Smbolo[dB][bel][Do antropnimo. Bell, do inventor Alexander Graham Bell, norte-americano (1847-1922).]2. Unidade convencional para medir a relao entre grandezas associadas a movimentos peridicos, e que igualaologaritmodecimaldococientedasduasgrandezas,quandoaprimeiradezvezesmaiorqueasegunda.3NveldePressoSonoraApresenta-seaseguiraTabela1.1aqualapresentaotempolimitedeexposioaosnveismximosdepressosonora(emdBSPL-SoundPressureLevel)suportveispeloouvido humano.Tabela 1.1 : Limite de tempo de exposio diferentes nveis de presso sonora.Apesar da medida de intensidade sonora ou volume depender alm da fonte emissora,tambm do ambiente e da distncia que a mesma se encontra do receptor, apresenta-se Tabela1.2, alguns nveis mdios de sons tpicos emitidos por fontes conhecidas na literatura.Tabela 1.2 : Nveis de som mdios produzidos por fontes tpicas. Durao[horas/dia]Nvel mdiode Som [dB]8 906 924 953 972 1001,5 1021 1050,5 1100,25 oumenos120Permissiblenoiseexposure.ExtractedfromU.S.DepartmentofLaborNoiseRegulations.Nvel de Som [dB] Fonte de Som0 Limiar de Audio10 Sala Anecica20 Sussurro Silencioso30 Msica Suave45 Mdia Residencial60 Msica de fundo65 Conversao75 Mdia de uma fbrica80 Orquestra forte90 Incio dos nveis deDesconforto100 Arrebitadeira108 Trovo110 Msica amplificada(Rock)130 Avio140 Sirene de 50HP41. 2. 2TimbreQualidadedistintivadesonsdemesmaalturaeintensidade,equeresultadaquantidade maior ou menor dos harmnicos coexistentescomosomfundamentalligadosaoespectrodepotncia.AFigura1.2apresentadoissinaisdediferentetimbreemesmofreqncia fundamental.Amplit ud eT empo0(b)(a)Figura 1.2 : (a) Sinal sinusoidal puro;(B) Sinal sinusoidal puro de mesma freqncia somado a um harmnico.1. 2. 3AlturaAalturadeumsomcorrespondeasuafreqncia.Umsompodesermaisagudooumais grave se a freqncia for maior ou menor respectivamente e definido para a freqnciada componente fundamental ou dominante.Unidadedemedida:[mel]=Alturadeumsom,igualaummilsimodaalturaqueumobservadoratribuiaumsomsimples,defreqnciaiguala1.000Hz,40dBacimadoseulimiar de audibilidade.Amp lit u d e0T e mp o Figura 1.3 : Diferentes freqncias de mesma amplitude.51. 2. 4SensibilidadedeAudioA sensibilidade do ouvido humano varivel e dependente do nvel do sinal que estsendoescutadoeexistemcaractersticasqueincomodammaisoumenos,dependendodequemestouvindo.apresentadonaFigura1.4ocomportamentodoouvidofrenteavariaes de freqncia e amplitude do sinal [1].Figura 1.4 :Resposta relativa do ouvido humano em relao a freqncia.Obs.: MAF do Ingls Normal Binaural Minimum Audible Field [17] que representa a mnimapresso sonora audvel.CadacurvadeFigura1.4representaonveldesensaodemesmovolume,etemcomo unidade o [PHON] . O eixo vertical apresenta o nvel de presso sonora (SPL) em [dB]referida a 0.0002Bar ou 20Pa. A curva MAF pontilhada representa o limite de audibilidade,apesar de que muitas pessoas e animais possam ouvir at 20dB abaixo desta curva.Nota-se que quanto maior ou menor for a freqncia maior deve ser o nvel de pressosonora para se obter a mesma sensao de mesmo volume.Ascurvasdeaudibilidadeforamoriginalmentegeradasem1930porFletcher&Munson, nos Laboratrios Bell - USA porm apresentadas com melhor preciso em 1950 peloLaboratrio Nacional de Fsica UK [1].61.3Amplificador1. 3. 1IntroduoOsamplificadoressoutilizadosemdiferentessistemas.Emsistemaseletrnicoscompem o fundamento de todo processamento de energia/sinal manipulado.Definio :Elemento ativo que fornece um sinal de sada cuja energia oriunda de uma fontede alimentao e controlada por um sinal de entrada. [Do lat. amplificatore.]: Dispositivo com que se aumenta no sinaldesadaumparmetrodo sinal de entrada, graas a fontes de energia que lhe so pertinentes.Amplificao: Elevao da energia de um sinal sem alterar-lhe a forma.Umamplificadordevepreservaraformadosinalqueestprocessando,modificandoapenasonveldetensooucorrenteaeleimposto.Qualquermudananaformadeondaconsiderado como sendo distoro, obviamente indesejvel. Um amplificador que preserva osdetalhes da forma de onda do sinal de entrada caracterizado pela relao:vs(t)=Av.ve(t) 1.2sendoveevsrespectivamenteosinaldeentradaesada,eAvrepresentaamagnitudedeamplificaoconhecidocomoganhodoamplificador.Estetermogenricoparaqualquertipo de amplificador, porm dentre os diversos tipos de amplificadores esto os amplificadoresdepotnciaquepodemexibirbaixosvaloresdeganhoemtensopormcomumagrandecapacidade de prover corrente em sua sada.1. 3. 2RepresentaoA forma usual de se representar um amplificador visto externamente atravs de seus terminaisde entrada e sada mostrado na Figura 1.5.7Sada EntradaSadaEntrada(a) (b)Figura 1.5 - (a) Smbolo do amplificador entre dois pontos de entrada e sada;(b) Amplificador com terminal comum.1. 3. 3GanhodeTenso[2]Paraumamplificadorlinearcomtensodeentradave(t),fornecendosadaumatenso vs(t) sobre uma carga R, sendo o sinal de sada uma rplica do sinal de entrada, define-se como ganho de tenso:Avvvse1.3 usual apresentar o ganho em valor relativo, expresso em dB (decibel), representadopela expresso 1.4.GVVvse= 20 log 1.41. 3. 4GanhodeCorrenteDefine-se ganho de corrente como sendo o quociente entre as amplitudes das correntesdesadaedeentrada,conformeindicadonasexpresses1.5e1.6nasformasdevalorabsoluto e em dB, respectivamente.Aiiise1.5expressando em Decibis:8GIIioi= 20 log 1.61. 3. 5GanhodePotnciaO ganho de potncia relaciona a parcela de tenso e corrente que so fornecidas sadapara uma respectiva entrada. definida pela expresso 1.7:APPv iv ipois se e =1.7 possvel tambm expressar em Decibis o ganho de potncia de sada:GPPPse= 10 log 1.8A relao entre tenses e correntes de entrada e sada podem ser positivas ou negativaseistosignificaapenasumainversoounodosinaldeentrada,portantotoma-seomdulodestas, para express-las em dB, j que uma medida negativa em dB representa uma atenuaoe no uma inverso.As medidas de ganho em amplificadores de potncia so utilizadas, por exemplo, paraolevantamentodealgumascaractersticasespecficascomoapresentadasnoitem1.4ParmetrosdeAmplificadoresdePotnciapormaprincipalfigurademritodomesmo,relacionadadiretamentecomacapacidadedesada,apotncia,jquearelaodesada/entrada torna-se grandeza elevada e sem grande significado prtico.Amedidadeganhoemtensoamaisutilizadaparaobtenodarespostaemfreqncia do amplificador, como ser apresentado.91.4Parmetros de Amplificadores de Potncia1. 4. 1PotnciadeSadaApotnciadesadaumdosparmetrosmaisrelevantesdosamplificadoresdepotncia. Fornece uma idia do volume de som disponvel na sada, partindo de uma mesmafontedesinal.Apotnciadesadadeterminadapelotipodecircuitoecomponentesutilizados no estgio de processamento de energia.Existemvriasformasdeespecificarapotnciadesadadosamplificadores,quedentre as quais so apresentadas algumas.1. 4. 1. 1PotnciaEficaz(RMS- RootMeanSquare)amdiaquadrticadatensodesadamultiplicadapelacorrenteextradaaolongode um perodo maior que o tempo que o amplificador leva para entrar em regime trmico, ouseja,apotnciacontnuaqueoamplificadorpodefornecer,semgerardistoro(almdaespecificada)ousuperaquecimento.tambmdenominadopotnciasenoidal,conformemedies feitas por vrios comits reguladores de normas tcnicas, como FTC (Federal TradeCommittee-EUA),IEC(InternationalElectronicCommittee),IHF(InstituteofHighFidelityManufacturers), EIAJ (Electronic Industry Association of Japan).Os sinais de udio so de natureza extremamente aleatria, e,observadocomoformade onda, apresentam valor RMS geralmente muito baixo em comparao com o valor de crista(altofatordecrista).Baseadonestefatoqueforamcriadasdiferentesespecificaes,demodo a tentar expressar convenientemente a capacidade ou qualidade de cada amplificador.1. 4. 1. 2PotnciaIHF(InstituteofHighFidelityManufacturers)AespecificaoIHF,normalizaamedidadepotnciadesadacorrespondenteaumsinal sinusoidal comfreqnciade1kHz,emregimeintermitentecomumataxade1:10(10ciclosconsecutivossoreproduzidosedepois90ciclossoomitidos,intermitentemente).Destemodopode-seespecificar,paraummesmoamplificador,potnciasabsolutasdepraticamente o dobro do valor RMS.101. 4. 1. 3PotnciaPMPO(PeakMaximumPowerOutput)A potncia PMPO (Mximo Pico dePotncia de Sada) uma medida muito utilizadanosmodeloscomerciaisdirigidospopulaoemgeral,pormamedidamaisarbitrriaeduvidosa das que se tem conhecimento. Em pesquisas realizadas, esta especificao atingiu de2a22vezesovalorRMSonde,normalmente,quantomenoraqualidadedoequipamentomaioromultiplicadoremrelaopotnciarealquepodeserfornecidapelomesmo.Emequipamentos profissionais esta medida desconsiderada, utilizando-se ento a potncia RMSeumaespecificaodereservadepotncia(headroom)paraexprimiracapacidadedoamplificador em reproduzir picos musicais aleatrios.Exemplo:Seumamplificadorestiversendoalimentadoporumatensodebarramentocontnuade12Veoperandocomumalto-falantede8,estepoderfornecersadanomximo 12V, portanto utilizando o equacionamento clssico de circuitos calcula-se a potnciamxima que o mesmo poder fornecer ao alto-falante considerando este como um resistor:PmaxURW = = =2 212818esta seria ento a potncia mxima para o amplificador em questo e que poderia ser chamadadePMPO.ParaomesmocasopossivelcalcularamximapotnciaRMScomumsinalsinusoidal.( )PefUefRW = = =2 122289De qualquer forma quando o fabricante do equipamento no apresenta a potncia RMSpode-seterumaidiaapenasobservandoapotnciadaentradadealimentaodoequipamento pela rede de energia onde obrigatoriamente dever ser apresentadocomodadosde placa a potncia ou a tenso e a corrente. Tendo em mos os valores de potncia de entradapode-seporaproximaoouidiadaordemdegrandeza,dividirapotnciadeentradapordois obtendo-se a potncia do amplificador interno.1. 4. 2Distoro11Oamplificadorlinearcaracteriza-seporapresentartensodesadadiretamenteproporcional tenso do sinal de entrada. A distoro de um sinal por um amplificador, estdiretamente relacionada com o quanto existe de diferena no contedo harmnico entre o sinaldesadaeodeentradaalmdaconstantedeproporcionalidade(ganho).Amedidadedistoro em amplificadores de potncia realizada relacionando tenses do sinal de sada emrelao entrada. Para que se possa minimizar a distoro, faz-se uma classificao de formaa estudar e tentar reduzi-las.1. 4. 2. 1DistoroHarmnicaTotalouTaxadeDistoroHarmnica-TDH(THD-TotalHarmonicDistortion)[1][3]Definio : - o quociente entre o valor eficaz do conjunto das harmnicas e o valoreficazdacomponentefundamentaloutambmarazodaraizquadradadasomadosquadrados, do valor eficaz de cada harmnica individual pelo valor eficaz total.THDV V VVef ef efef=+ + +2232421...1.9causadapelanolinearidadedocircuitodetratamentodosinal,desdeseuprocessamentoataetapadesada.Essadistoropodernosergrandementenotadapeloouvinte, mas afetar o som produzido deixando-o menos natural.Asfreqnciasharmnicasqueaparecemdevidodistoro,podemsermaisoumenosaudveis,conformeasuarelaomusicalcomafreqnciaoriginal(fundamental).Componentes harmnicas mltiplas como o dobro, o triplo, qudruplo, e todas as de potncia2e/oumltiplasde3somusicalmenteconsonantes(noformamumarelaoparticularmentedesagradvel).Asharmnicasdeordem3,5,7,11,13soextremamentedissonantes,portanto,maisperceptveis.Apesardestesdetalhesapresentados,amedidautilizada para expressar a distoro a THD que no leva em conta a dissonncia (medida noponderada),ouseja,noconsideraseumaharmnicamaisoumenosdesagradvelqueoutra. Isto explica, por exemplo, porque amplificadores vlvula, com 2% de distoro, temsommaisagradvelqueamplificadorescominterruptorescomtecnologiadeestadoslidocom0,5%deTHD.Istodevidocaractersticaintrnsecadosamplificadoresavlvuladeproduziremdistoroemharmnicosdebaixaordemeconsonantes,enquantoostransistorizados produzem distores num amplo espectro. De qualquer forma, em sistemas dealta fidelidade onde a distoro harmnica total estiver abaixo de 0,1% tal distoro torna-se12imperceptvel. Como um sistema de udio composto por vrias etapas de processamento desinal,eadistoro,bemcomoorudosocumulativos,deve-seminimizaraomximoadistoro e o rudo de cada etapa. A Figura 1.6 apresenta uma curva tpica de anlise para umamplificador profissional onde tem-se uma excitao sinusoidal de 1kHz. [ SpectraLab ]-95.90 dBPrinted by: Sound Technology - SpectraLABLicensed to: InepSat Nov 29 11:55:52 1997AmplitudeExemplo de Medida de THD0-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-110-12050 70 100 200 300 500 700 1.0k 2.0k 3.0k 5.0k 7.0k 10.0k 20.0kFreqncia [ Hz ]THD: 0.00234 %[ dB ]Figura 1.6 : Resposta em freqncia de um amplificador com uma excitaosinusoidal de 1khz.1. 4. 2. 2Intermodulao(IMD)adistoroprovocadapeloprocessamentoparalelodedoisoumaissinaisdediferentesfreqnciasemumcircuitonolinear.Amisturadessasfreqnciasresultaemfreqnciasdesomaediferenadependentesdanolinearidadedocircuitoequenoestoem relao harmnica com os tons originais e resultam em distoro por Intermodulao.Por exemplo:(a) Sistema Linear :x(t) y(t)2 x y=Sex t t t ( ) cos( ) cos( ) = + 1 3 1entoy t t t ( ) cos( ) cos( ) = + 2 1 6 1 Tem-se ento os seguintes espectros unilaterais (resposta em freqncia) se 1=3 e 2=5130 1 2 3 4 5 601234x(t)0 1 2 3 4 5 602468y(t) Figura 1.7 : Componentes em freqncia angularda entrada x(t) e sada y(t) Deum sistema linear. (b) Sistema No-Linear:x(t) y(t)y x x = + 132Sex t t t ( ) cos( ) cos( ) = + 1 3 1ento,( ) y t t t t t ( ) cos( ) cos( ) cos( ) cos( ) = + + + 1 3 1131 3 121.10que simplificando obtm-se:y t t t t tt t( ) cos( ) cos( ) cos( ) cos(( ) )cos(( ) ) cos( )= + + + + + + + 1 3 253162 1 1 22 1322 2!!1.11se1=3 e 2=5 tem-se um espectro de sada com a forma:0 2 4 6 8 1001234y(t)Figura 1.8 : Componentes em freqncia da sada y(t) de um sistema no-linearcom uma entrada x(t).14AmedidadeIMDpodeserrealizadapelomtodoSMPTE-IMD(SocietyofMotionPicture & Television Engineers ) que utiliza dois sinais de diferentes freqncias na proporode 4:1 de uma onda sinusoidal de 60Hz e 7kHz respectivamente.Paracalcularadistoroporintermodulaopode-seutilizaroconceitodedistoroharmnica onde o valor eficaz total dividido pelo valor eficaz das fundamentais.27260242322...kHz Hzef ef efVef VefV V VIMD++ + +=1.12Exemplo:OexemploapresentadonaFigura1.9originadodeumprogramadeanlisedesinais demonstrativo (SpectraLab) e apresenta a resposta em freqncia de um sinal qualquereovalordadistoroporintermodulao.Arespostaemfreqnciaapresentadatpicadeamplificadoresprofissionaisondeomesmoexcitadocomumsinaldeentradade250Hze8,020kHz de forma a determinar a IMD conforme a equao 1.12AmplitudePrinted by: Sound Technology - SpectraLABLicensed to: InepSat Nov 29 12:06:31 199720100-10-20-30-40-50-60-70-80-90-100-110-120-13050 70 100 200 300 500 700 1.0k 2.0k 3.0k 5.0k 7.0k 10.0k 20.0kFreqncia[ Hz ]250 Hz8020 HzIMD: 0.0017 %[ dB ]Figura 1.9 : Componentes em freqncia de sinal possvel para medida de imd1. 4. 2. 3SaturaodosinaldesadaAparecequandooprodutodosinaldeentradapelaconstantedeproporcionalidade(ganho) ultrapassa o valor limite da tenso de sada. Evita-se limitando o sinal de entrada aonvelmximoespecificado.Circuitosanti-saturaoempregadosemamplificadores15profissionais, evitam este tipo de problema. Se este tipo de distoro no for evitado, tem-se oriscodeprejudicarosalto-falantesutilizados,pormquandodousodefiltrospassa-altasnoestgiodesada,asaturaodesada(clipping)seratenuadaconformeofiltro,portantoreduzindo a possibilidade de destruio do alto-falantes.1. 4. 3RespostaemFreqnciaArespostaemfreqnciaumafigurademritoimportantenosamplificadoresemgeral; indica a capacidade do amplificador em reproduzir o sinal desejado paradeterminadasfreqnciasouparaumsinalgenrico,comaltocontedoharmnico.Poderepresentaroganhodetenso,correnteoupotnciadeumsistemaqualquercomsinaldeentradasinusoidal.Estamedidarepresentadapelodiagramadebodetendocomoabcissasafreqnciaem escala logartmica e como ordenadas o ganho de tenso em dB.O outro grfico representa a resposta de fase do amplificador, que ongulodefaseentre a entrada e sada, para as freqncias da curva.Muitasespecificaesdeamplificadoresnoapresentamarespostadefaseouapresentam independentemente da resposta de ganho, porm estas devem ser apresentadas emconjunto.apresentadonaFigura1.10odiagramadeBode[4]deumamplificadorqueapresenta a resposta com faixa plana na freqncia de udio.0.1 1 10 100 1k 10k 100k-10-50510[ dB ]Freqncia [ Hz ]Ganho0.1 1 10 100 1k 10k 100k-200-1000100200[ Graus ]FaseFreqncia [ Hz ]Figura 1.10 : Resposta em freqncia (diagrama de bode) idealizada de udio-amplificadores de potncia16Asfreqnciasdecortesuperioreinferiorsodefinidaspelaquedadoganhodepotncia para metade de seu valor ou em 3dB (30%) de tenso e significa que mantendo-se aamplitudedosinaldeentradaconstanteevariandosuafreqnciadomnimoaomximoobtm-se paraumamplificadordepotnciatpico,umafaixaplanaentre20Hze20kHzquesoasfreqnciasdecorteinferioresuperiorrespectivamente.Apesardafaixaaudveldossinais de udio ser considerada como sendo de 20Hz 20kHz discute-se a necessidade de suaexteno para baixas freqncias onde a audio tornar-se-ia a sensao da vibrao do corpoe no mais a percepo do ouvido.1. 4. 4TaxadeCrescimentoSR(SlewRate)umfenmenoqueapareceemgrandessinaisassociadoasaltasfreqnciaseataxamximapossveldevariaodetensodesadadeumamplificador(SR=dvs/dt),eenormalmenteexpressoemVoltpormicrosegundo(V/s).Parareproduzirumasenidedefreqncia f, amxima taxa de variao de tenso no tempo, ocorre quando o sinal cruza porzero.1. 4. 4. 1LarguradeBandaemPlenaPotncia[2]Um amplificador operando acima do limite da taxa de crescimento introduz distoroem sinais sinusoidais . Considerando um seguidor de ganho unitrio com um sinal de entradadefinido como:( ) V V sine max= t 1.13onde:Ve = Sinal de Entrada;Vmax = amplitude mxima do sinal; = freqncia angular do sinal.A taxa de troca (velocidade) deste sinal definida como:( )dVidtt = Vmax cos1.1417etem-seumvalormximode.Vmax.Omximoocorrenapassagemporzerodosinaldeentrada. Se o .Vmax ultrapassar a taxa de crescimento mxima de sadadoamplificador,osinal de sada ser distorcido como mostrado no exemplo da Figura 1.11.0 20 40 60 80 100Tempo [us]EntradaSada1050-5-10[V](a) (b)Figura 1.11 : Exemplo de circuito amplificador de sinal tpico e a respostalimitada em taxa de crescimentoApartirdaFigura1.11bobserva-sequeosinaldesadaficalimitadonasubidatransformando a senide em uma onda triangular de menor amplitude.comumnasespecificaesdeamplificadoresaindicaodalarguradebandaemplenapotncia,queindicaafreqncia(fm)emquecomeaaaparecerdistoronosinaldesadaparaamplitudedesadanominal.Definindo-secomosinaldesadanominalovalorVomx ento a fm relacionada com a taxa de crescimento (SR) como na equao 1.15.m smaxV = SR 1.15sabendo que m mf = 2ento,fm=SR2 Vsmax 1.16ParasinaissinusoidaisdeamplitudemenorqueVomaxresultaumafreqnciafmmaior, ou seja, possvel amplificar sinais de menor amplitude com freqncia mais elevadasemdistoresportaxadecrescimento.Paraobteramximaamplitudedesadasemdistoro por SR em uma determinada freqncia utiliza-se a equao 1.17:18Vo Vomax = m1.171. 4. 5RelaoSinal/RudoArelaosinalrudodeumamplificadoridealmenteexpressacomoarelao,emdB,entreapotnciade1Weapotnciaproduzidapelorudo.Portantotem-seumamedidacoerenteparaqualqueramplificadordepotnciasuperiora1W.Muitosfabricantesapresentamestaespecificaoemrelaopotncianominal,oqueresultaemvaloresnumricos superiores ao padro. Existem tambm as medidas ponderadas de rudo que podemserutilizadas,pormemequipamentosprofissionaisdevemserapresentadasmedidasnoponderadas,querefletemmelhorascaractersticasreaisdoequipamento.Osamplificadoresatuaisdeboaqualidadeapresentam,emgeral,relaessinalrudosuperioresa80dBemrelao a 1W.1. 4. 6FatordeAmortecimento-FA(DampingFactor)Ofatordeamortecimentoarelaoentreaimpednciadecarga(alto-falantes)eaimpednciadesadadoamplificador.Paramediraimpednciadesadadoamplificadorutiliza-seporexemploomtodoclssicodemedidaseltricas:Paraumadeterminadafreqnciaeamplitudedosinaldesada,mede-seaamplitudevazioeplenacarga,obtendo-se ento, a tenso do equivalente thvenin vazio e a diferena de potencial sobre aimpedncia de sada com a tenso de sada, com carga. Calcula-se ento a impedncia de sadaatravs do divisor de tenso formado.Zentrada Vaberto=A.Ve Ve ZcargaZsaidaVcargaAmplificadorFigura 1.12 : Equivalente thveninde um amplificador.19Zsaida Zc aVabertoVc a= argarg1 1.18ento :FAZc aZsaida=arg1.19Ofatordeamortecimentosendoaltoindicaumabaixaimpednciadesadadoamplificador,eistopossibilitaumbomcontroledatensosobreosalto-falantes.Quandoaimpedncia de sada alta, esta interage com a impedncia de carga (alto-falantes, divisor defreqncias) prejudicando a definio de udio.Porserumarelaodeimpednciasofatordeamortecimentodeumamplificadorvariacomafreqnciaemqueserealizaamedida,portanto,pode-seobterumacurvaemfunodafreqncia.Normalmenteparabaixasfreqnciastem-sevaloressuperioresaosvalores em maior freqncia.Em amplificadores comuns, o que pode ser feito para minimizar a impedncia de sada a minimizao do caminho entre acargaeostransistoresdeamplificaooutambmpelaescolhadoelementofinaldeamplificao(Vlvulas,TransistoresBipolares,MosfetseIGBTs).Emaplicaesapuradasfaz-searealimentaodosinaldeentradaatravsdeumaamostra do sinal de sada. Nestes casos a impedncia de sada depende diretamente do tipo derealimentaoutilizado,podendoinclusivesernulaounegativa(quandoatensodesadamaior com carga do que vazio).201. 4. 7SensibilidadeAsensibilidadeoindicadordatensoeficazquelevaoamplificadorpotncianominalparaumacarganominal.Quantomaiorasensibilidade,menoratensoeficazdeentrada que proporciona a potncia de sada nominal.AsensibilidadedoamplificadorpodeserexpressaemvaloresabsolutosdetensoetambmemdBuoudBV.Afaixadevaloresabsolutosnormalmenteencontradosnasespecificaes de amplificadores[1] apresentada na Tabela 1.3.Categoria Em Volts Em dBuCaseiros de Alta Fidelidade(Home Hi-Fi)30mV at 2V -28dBu at +8dBuEstdios Caseiros(Home Studios)100mV at 1V -18 at +2udio Profissional(Pro-Audio)775mV at 5V 0 at +16Tabela 1.3 : Faixa de Sensibilidades de Entrada de Amplificadores ParaexpressarasensibilidadeemdBuoudBVutiliza-seasexpresses1.20e1.21respectivamente conforme [6].SSVdBuv= 200 775log,1.20SSVdBVv= 2010log1.21Onde:SV Sensibilidade, em VRMS.SdBu Sensibilidade, em dBu.SdBV Sensibilidade, em dBV.211. 4. 8RegulaodaFonteA regulao da fonte de alimentao um fator bastante importante para a maioria dosamplificadores, pois a maioria tem o sinal de sada no s dependente do sinal de entrada mastambmdasvariaesdatensodealimentao,quenormalmenteemaltaspotncias,noreguladaafimdeminimizarperdas.Quandoaregulaodafontenomelhorque5%eoamplificadornoumsistemarealimentado,perde-searespostaembaixasfreqncias(impactooupunch).Muitosfabricantesutilizamcomopropagandaautilizaodetransformadorestoroidais(menorpesoeperdaspordisperso)debaixafreqnciaparaadaptaratensoderedeaosnveisqueretificadosefiltradosproporcionaroosnveisCCapropriados.1. 4. 8. 1UtilizaodeFontesChaveadasNos anos 70 este tipo de fonte de alimentao foi utilizada pela empresa Sony com olanamentodoClassDHi-Fiamplifier.Anvelnacionalautilizaodefonteschaveadasvem sendo desenvolvida pela HotSound, empresa que atua na rea de amplificadores de udioprofissionais.221.5Classificao de Amplificadores [6], [1]Existem diversas formas de amplificar um sinal, apesar de que visto externamente umamplificador pode ter as mesmas caractersticas que outro no significando porm que a formadeamplificaramesma.Aordemdeclassificaorealizadaporordemdecriao[1]conforme apresentado a seguir:1.Classe A (1917) e variantes (>1960);2.Classe B, AB e variantes (1945);3.Classe C (no aplicada a udio);4.Classe D - Digital ou PWM (1963);5.Classe E (no aplicada a udio) [7];6.Classe G [8] (1977);7.Classe H (1983) ;8.Classe I (1997) [9];9.Classe S (no aplicada a udio).Os amplificadores so classificados de diferentes formas, de modo que se possa estudar suascaractersticasparticulares,bemcomovantagensedesvantagens.AnomenclaturautilizadaparaclassesGeHaAnglo-Japonesadevidoasuacriao,sendoqueanomenclaturaamericana justamente inversa.ForamrealizadassimulaescomdiversoscircuitosbsicosrepresentativosdasclassesdeoperaoutilizandooprogramaMicroSimDesignLab,etraadodecurvasderendimento terico mximo [6] utilizando o programa MathLab e tambm com oMathCad.1. 5. 1ClasseAPordefinio,classeAsignificaqueodispositivofinaldeamplificao(Vlvula,TransistorBipolar,Mosfet,IGBTououtroqualquer)permanecesempreconduzindo.Usualmente definido como conduo em 360 graus da onda senoidal de entrada. Operandonaregiolinear,sematingirocortenemasaturao,estesamplificadoresoferecemumatimareproduodosinaldeentrada.Orequisitodeprojetoincluiumapolarizaoprpria23para cada dispositivo (grade, base ou gate). A grande desvantagem destes amplificadores estanaaltadissipaodeenergia(baixorendimento)equedevesercontroladacomcircuitosadicionaisdeproteotrmica.Orendimentomximotericodestesamplificadoressitua-seemtornode25%,ondeacorrentedepolarizaoigualamximacorrentedecarga.apresentadonaFigura1.13aocircuitobsicodeoperaoemclasseAondeapolarizaorealizadacomcircuitoconvenienterepresentadoporIQaFigura1.13bqueumavariaotopolgicaclasseAqueconsegueumrendimentotericomximode50%devidoadistribuio de correntes em Q1 e Q2 para diferentes nveis de carga. Q1Q2VpoVpo RL(a) (b)Figura 1.13 : (a) Circuito bsico de sada classe A, (b) variao topolgicautilizando par complementarForamrealizadassimulaesdocircuitodaFigura1.13butilizandoVpodemodoaproporcionarumacorrentedepolarizaomaiorqueamximacorrentedecarga,tensodealimentao e entrada de sinal convenientes para obter uma anlise qualitativa do circuito. Oresultado apresentadona Figura 1.14 onde pode-se notar que a corrente mxima de carga menor que a corrente de polarizao. A distoro harmnica total para um sinal de entrada defreqncia 1kHz de THD=0.00387%.24Classe A0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0m Tempo [ s ]IC(Q1)IC(Q2)I(RL)50-5[ A ]Figura 1.14 :Corrente de coletor dos transistores e corrente de carga para aconfigurao classe AEstesamplificadoressobastanteutilizadosemcircuitosdesinalepoucoutilizadosemaltaspotncias,edestinam-seaosaudifilosqueprocuramaltssimafidelidade,esedispemdepagaropreodograndevolume,pesoedissipaodeenergia.Acurvaderendimento mximo terico apresentada na Figura 1.15.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1061218243025A1 Po/Pomax[%]Figura 1.15 : Rendimento mximo terico classe A1. 5. 2ClasseBA classe B definida como sendo a conduo durante 180 graus do sinal sinusoidal deentrada. A aplicao tpica de classe B em amplificadores push-pull onde doisdispositivoscompartilham a amplificao total de carga, cada um contribuindo com meio perodo da onda.Estaclasseofereceumgrandeaumentonorendimentoemrelaoaanterior,comvalor mximo terico de 75% e curva de rendimento representada na Figura 1.16.250 0.2 0.4 0.6 0.8 102040608010077.7B[%]1 Po/PomaxFigura 1.16 : Rendimento mximo terico classe BApesardorendimentodestaestruturapossibilitaraaplicaoemmaiorespotncias,apresenta o problema de distoro por transio (crossover distortion) que aparece quando dapassagem por zero do sinal, ou seja, quando um dos dispositivos deixar de conduzir para darlugar ao outro, entre cada semi-ciclo.Esta classe no utilizada para udio e objeto de idealizao da polarizao da classeAB, e que ser apresentada na prxima classe em estudo. apresentado na Figura 1.17 o circuito bsico, onde nota-se a inexistncia das tensesde polarizao.Figura 1.17 : Estgio classe BResultados de simulao referentes operao deste tipo de classe de amplificao soapresentadosnaFigura1.18ondepode-senotarongulodeconduodostransistoreseadistoro por cruzamento no sinal de sada. A distoro harmnica da tenso de sada para ocaso simulado, ficou situada em THD=14,3%.26Classe B0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0mTempo [ s ]EntradaSaida840-4-8

Classe B0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0mTempo [ s ]IC(Q1)IC(Q2)210-1-2[ A ](a) (b)Figura 1.18 : (a) Tenso de entrada e sada; (b) Corrente de coletor dostransistores.1. 5. 3ClasseABNatentativadeeliminaradistoroportransiochegou-seaumaconfiguraodosdispositivosamplificadores,igualdaclasseanterior,pormagoraproporcionandopolarizaomnimaacadaum,demodoqueostransistoresoperemnaregioprximadaconduo.Tem-seassimumamplificadorclasseBcomcorrentedepolarizaoque,quantomaior, mais se aproxima das caractersticas da configurao classe A; por isso chamado deClasse AB. A eficincia fica abaixo dos amplificadores classe B, pormsuperior ao classe A.Ocircuito bsico apresentadona Figura 1.19 onde pode-se observar a semelhanacom a classe A e B diferindo apenas no valor absoluto da tenso de polarizao.Q1Q2Vpo=0,77VVpoRL4Figura 1.19 : Estgio classe AB27A Figura 1.20 apresenta as tenses de entrada e de sada juntamente com a corrente emcada transistor. A distoro calculada na simulao ficou em THD=0,367% para o circuito emquesto,epodesermelhoradaatravsdoincrementodacorrentedepolarizao.Observa-sequeapesardaexistnciadedistoro,amesmanovisvelquandoseobservaosinaldeentradaesada.possvelqueapenasouvidosexperimentadospossamdetectar,pelaqualidade do som.Classe AB0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0m Tempo [ s ]EntradaSada840-4-8[ V ]Classe AB0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0mTempo [ s ]IC(Q1)IC(Q2)210-1-2(a) (b)Figura 1.20 : (a) Tenso de entrada e sada; (b) Corrente de coletor dostransistores.Opontocrticonoprojetodestesamplificadoresadeterminaodacorretapolarizao, de modo a eliminar a distoro por transio e no prejudicar demasiadamente orendimento.Acurvaderendimentoapresentadaemfunodapotnciadesadaedediferentes valores da corrente de polarizao (Figura 1.21).0 0.2 0.4 0.6 0.8 10163248648074.8AB[%]Po/PomaxClasse BClasse AClasse ABFigura 1.21 : Rendimento mximo terico classe AB tendo como parmetro acorrente de polarizao.28Este tipo de configurao a mais utilizada atualmente em amplificadores de udio depotncia (P>5W) [33] por sua qualidade e eficincia.Paraquesejarealizadaumacorretapolarizaopode-se,porexemplo,realizarumamedidadedistoroharmnicaemtemporeal,fazendocomqueamesmafiqueaqumdolimite de especificao, atravs do ajuste da corrente de polarizao.1. 5. 4ClasseC[10]A classe Capresentaconduomenorque180graus.Apesardemaiseficientequeaclasse B, este tipo de amplificao possui tambm o inconveniente da alta distoro, pois oprprio sinal de udio que realiza a polarizao dos elementos finais de amplificao. umaconfigurao impossvel para aplicaes em udio, porm muitoutilizadaemamplificadoresde rdio freqncia. Esta classe de operao faz parte dos amplificadores sintonizados. Figura 1.22 : Possibilidade de estgio classe C1. 5. 5ClasseD[1]OprincpiodosamplificadoresClasseDforamprimeiramentecitadosem1947[16],porm tem-se como inventor, nos anos 50, o Dr. A.H. Reeves que o pai da modulao PCM( Pulse Code Modulation ). Tal denominao D tem origem em Digital e o primeiro projetoprticoapareceuem1960[11]dandoorigem,nomesmoano,aoprimeiroamplificadorcomercial com tecnologia digital. Diz-se [1] que a tecnologia Digital classe D um hbridode uma fonte de alimentao comutada e um transceptor FM.29Devidoslimitaesprticasdostransistoresdegermnio,efaltadepersistncia,foramdeixadosdeladopelosfabricantesqueredirecionaramosinvestimentonaspesquisasem amplificadores Classe AB. Vinte anos mais tarde as tcnicas Classe D retomaram sriasatenesporpartedosfabricantes,commodelosdeamplificadorPWMdaempresaInfinitySystems com 125W/canal em 1974 e 300W/canal em 1976, com a denominao de Swamp(switchamplifier).Em1978aInfinityabandonouosclasseD,pormsimultaneamenteaempresaSonyintroduziuummodeloutilizandotransistoresdesadadaprimeirageraodeMosfets,ecomfontedealimentaotambmoperandoemmodocomutado(chaveado).Entre 1979 e 1985 apareceram amplificadores profissionais de relativo sucesso, operando comfreqnciasdecomutaoemtornodos500kHzeperdastolerveis,apesaraindadaspobreresposta em freqncia e diferente qualidade para diferentes projetos.Atualmenteexistemmuitaspropostasdetopologias[12],[14],[13],ecomponenteseletrnicosdemelhorqualidadequepossibilitamautilizaodestaclassedeoperao.Existemamplificadorescomerciaisdestalinha,quesoproduzidosnaEuropaeEUA,e,apesardaSonyserumadasempresaspioneirasnolanamentodestesamplificadores,nosetem notcias concretas da atual produo Japonesa. apresentado na Figura 1.23 o circuito bsico de uma configurao classe D, onde M1eM2soosMosfetsquerepresentamointerruptores(liga/desliga)dealtafreqncia(emrelao ao sinal de udio).O comando dos Mosfets gerado por um circuito comparador quetem como entradas, o sinal de udio e um sinal de freqncia constante e superior freqnciamxima do sinal de udio. Para obter ou reconstruir o sinal de entrada amplificado, utiliza-seum filtro de sada que elimine a freqncia de comutao dos transistores de potncia (Passa-Baixas).30PassaSadaBaixasFigura 1.23 : Configurao classe DA modulao utilizada, pode variar de um projeto a outro, porm a mais simples e quepode ser facilmente utilizada a PWM convencional conforme serapresentadanoCaptulo2.ApesardorendimentotericoidealizadodosamplificadoresclasseDser100%,osprimeiros modelos comerciais apresentavam enormes dissipadores de calor demonstrando queexistiammuitasperdasnocircuitodepotncia.apresentadonaFigura1.24orendimentotpico dos amplificadores Classe D considerando as perdas de comutao e conduo exibidaspor grande parte dos componentes comerciais atuais. Nota-se que apesar de no ser de 100%como o rendimento idealizado, este mesmo muito superior as demais classes de operao.Tendoemmentequeorendimentonoanicacaractersticaconsideradaemumprojetocompleto,inicia-seosestudosparaaperfeioaraqualidadedosinaldesadaemtermos de distoro.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1010203040506070809010094D[%]1 Po/PomaxFigura 1.24 : Rendimento classe D31Porapresentar caractersticas de alto rendimento, tem como tendncia a aplicao emamplificadores de alta potncia, sendo estes aplicados ao udio ou no, como por exemplo emacionamento de motores, filtros ativos (at 10kVA), explorao geofsica (acima de 45kVA),e at mesmo em pequenas potncias e altas freqncias, como na utilizao em acionamentosdebombasemotorespiezoeltricos.Estaclassedeoperaoserobjetodeestudonoscaptulos posteriores para as aplicao em udio.1. 5. 6ClasseE[7]A Classe E um caso particular de circuito chaveado originado da classe D e classe Conde a eficincia equivalente, porm este baseado em uma rede de carga sintetizada parase obter a mxima eficincia [7], utilizando-se apenas um elemento ativo, ou seja, apenas umtransistorqueacabacomapossibilidadedecurtodebrao.Utilizaemsuasadaumarederessonante projetada para ter uma resposta transiente que minimiza as perdas na comutao dotransistor e do estgio de sada. Esta topologia, apesar da ausncia de reconhecimento, foi umadas pioneiras a introduzir de modo formal, o conceito de comutao suave. Outras formas decomutaosuavejexistiamcomossistemasclasseS,pormestescomoserovistosnaseqnciautilizam dois transistores, como os amplificadores classe D.Rede de CargaChave AtivaFigura 1.25 : Configurao classe E321. 5. 7ClasseG[24]Estaconfiguraodeamplificaorealizadaatravsdacombinaoemsriedetransistores de modo a proporcionar uma comutao entre classe A e classe AB naturalmenteedependentedonveldetensoimpostonasada.apresentadonaFigura1.26ocircuitobsico classe G.Vcc2>Vcc1D1D2Figura 1.26 : Configurao classe GEm regime de baixa potncia os transistores Q2 e Q3 amplificam o sinal de entrada e aenergia necessria provm das fontes Vcc1 e -Vcc1 e podem estar operando como classe A ouAB: Q1 e Q4 esto bloqueados. Quando atensodeentradaatingeovalorondeatensodesadatendaaultrapassarovalordeVcc1(ou-Vcc1nosemi-ciclonegativo)otransistorQ1(ouQ4)entraremconduonaturalmente,bloqueandoD1(ouD2)demodoqueVcc2passar a fornecer a energia necessria. Nota-se que na comutao de D1 ou D2 os transistoresqueestavamconduzindoacorrentedecargacontinuamconduzindoamesmaqueagoracircula tambm por Q1 ou Q4 respectivamente.Este tipo de arranjo proporciona um rendimento maior que classe AB, porm se estiveroperandocompotnciadesadaemqueavariaodatensoestiverprximaaonveldecomutao,sermuitoevidenteadistoroharmnicadevidoascomutaesdoestgiodesada.33Para o circuito da Figura 1.26 foram realizadas simulaes de funcionamento e obtidoasformasdeondaapresentadasnaFigura1.27.Nota-seatravsdascorrentesdecoletoremQ2eQ3queparaapolarizaoutilizada,ocircuitoestoperandoemclasseABeapenascomuta a corrente de D1 e D2 para os transistores Q1 e Q4.CLASSE G0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0m EntradaSada840-4-8[V][ s ] CLASSE G0 0.2m 0.4m 0.6m 0.8m 1.0m Tempo [s]IC(Q2)IC(Q3)20-2IC(Q1)IC(Q4)20-2[ A ][ A ](a) (b)Figura 1.27 : (a) Tenso de entrada e de sada, (b) Corrente nos transistoresRealizandoaanliseharmnicadosinaldesadaobteve-seTHD=0.582%confirmandoqueadistorodestetipodeconfiguraomaiorqueaclasseAB,apesardeque pode-se reduzir a distoro modificando a corrente de polarizao, de modo que o estgiocomposto por Q2 e Q3 opere em classe A.1. 5. 7. 1Rendi mentoOrendimentotericomximoapresentadonaFigura1.28ondeseobservaacomutao das fontes de alimentao para uma Po/Pomax=0.42 e o rendimento total superioraos amplificadores classe B.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1010203040506070809010078.2GPo/Pomax[ % ]Figura 1.28 : Rendimento classe G341. 5. 8ClasseHEste modo de operao envolve a mudana de fontes de alimentao de valores fixos,que so comutados por chaves ativas, conforme a necessidade de potncia de sada. A Figura1.29 representa o tipo de ligao utilizado nesta configurao.Q3Q4 Q2Q1VpoVpoVpoVpo RL4Figura 1.29 : Configurao do estgio de potncia classe HEstaconfiguraorepresentaumaboamelhorianorendimentorelativoaosamplificadoresdeclasseAB,pormsolimitadosemfreqnciasabaixode2kHz,poisacomutaoentreasfontesdealimentaoprovocadistoresdesagradveis,tornandoosomrspidoesemdefinioemaltasfreqncias.AmedidaemqueseelevaosinaldesadademodoqueatensodesadaseaproximedeVcc1,umcircuitodecontroleinibeaentrada1comutandoosinalparaaentrada2,ativandoocircuitoalimentadoporVcc2desdequeVcc2>Vcc1.1. 5. 8. 1Rendi mentoOrendimentodaestruturaclasseHapresentadonaFigura1.30ondenota-seumagrande semelhana com o da estrutura Classe G, conforme Figura 1.28.350 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1010203040506070809010081.3HPo/Pomax[ % ]Figura 1.30 : Rendimento da configurao classe HAumentando o nmero de fontes de alimentao, ou seja, adicionando estgios classeABemparaleloecomandandoconvenientementetem-seainda,umaeficinciamelhoradapara as baixas potncias.1. 5. 9ClasseI[9]O topologia Classe I uma derivao da juno de um classe D com um classe A (ouAB) onde, em resumo, tem-se um classe D alimentando o classe A com o sinal de udio e altocontedo harmnico. O estgio classe A trata de refinar este sinal a ele entregue, eliminando ocontedoharmnico.Paratantoutiliza-seduasfontesdealimentaoV1eV2,conformeFigura 1.31, para compensar a diferena entre o sinal desejado na sada e o sinal entregue peloclasseD.OestgioclasseAfuncionacomoreguladordetensodinmico,ondesoeliminadas,asondulaesdafreqnciadecomutaodosmosfets(M1eM2)eeventuaisondulaesdebaixafreqnciadevidoasno-linearidadesdoclasseD.Paraqueatcnicafuncione corretamente, quaisquer ondulaes, de alta ou baixa freqncia, devem ser menoresque o valor de V1 e V2, sendo que V1=V2.36PassaFiltro 2Filtro 1EntradaVpoVpo RLQ2Q1VpoV1V2Classe AClasse DBaixasFigura 1.31 : Circuito bsico classe I.1. 5. 9. 1Rendi mentoAtensoV1eV2utilizadasparacompensarosdiferentesnveisdecadaestgio,definemtambmaTHDdosinaldesada.QuantomaiorovalordeV1eV2,menoradistoro, porm estas mesmas contribuem inversamente no rendimentototal.Existeentoocompromisso de projeto onde deve-seobservaramximadistoroharmnicapermitidaeorendimentodesejado.AFigura1.32apresentaascurvasderendimentoparaaconfiguraoClasse I.370 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10102030405060708090100a=1Po/PomaxClasse I - 0