Penguat Amplifier Kelas D
Dalam dunia modern ini, tujuan utama amplifikasi audio dalam sistem audio adalah untuk secara akurat mereproduksi dan memperkuat sinyal input yang diberikan. Dan salah satu tantangan terbesar adalah memiliki daya output tinggi dengan jumlah daya yang hilang seminimal mungkin.
Teknologi penguat Kelas D membuat dampak yang meningkat pada dunia suara langsung dengan menawarkan daya tinggi dengan disipasi daya nol dan lebih sedikit berat daripada sebelumnya. Saat ini, perangkat musik portabel menjadi lebih populer dengan meningkatnya permintaan akan suara eksternal dalam perangkat musik portabel.
Amplifikasi audio kadang-kadang dilakukan dengan teknologi penguat tabung tetapi ini berukuran besar dan tidak cocok untuk sistem suara elektronik portabel. Untuk sebagian besar kebutuhan amplifikasi audio, insinyur teknik memilih untuk menggunakan transistor dalam mode linier untuk membuat output skala berdasarkan pada input kecil.
Ini bukan desain terbaik untuk amplifier audio karena Transistor dalam operasi linier akan terus berjalan, menghasilkan panas, dan mengkonsumsi daya. Kehilangan panas ini adalah alasan utama mengapa mode linear tidak optimal untuk aplikasi audio portabel yang dioperasikan dengan baterai.
Ada banyak kelas amplifier audio ; A, B, AB, C, D, E, dan F. Ini diklasifikasikan ke dalam dua mode operasi yang berbeda, linear dan switching.
Mode Power Amplifier Linear - Kelas A, Kelas B, Kelas AB dan Kelas C adalah semua penguat mode linier yang memiliki output yang sebanding dengan input mereka. Penguat mode linier tidak jenuh, nyala sepenuhnya atau mati total.
Karena transistor selalu berjalan, panas dihasilkan dan daya terus menerus dikonsumsi. Ini adalah alasan mengapa penguat linier memiliki efisiensi yang lebih rendah bila dibandingkan dengan switching penguat.
Switching Penguat Kelas D, E dan F adalah Switching penguat. Mereka memiliki efisiensi yang lebih tinggi, yang secara teoritis seharusnya 100%. Ini karena tidak ada energi yang hilang akibat disipasi panas.
Ketika berada dalam mode "OFF" tegangan supply akan melintasi MOSFET, tetapi karena tidak ada aliran arus, sakelar tidak mengkonsumsi daya apa pun. Penguat hanya akan mengkonsumsi daya selama transisi on/off jika arus kebocoran tidak diperhitungkan. Rangkaian Amplifier Kelas D terdiri dari tahapan berikut:
Ketika Input A memiliki tegangan lebih rendah daripada Input B, output komparator akan menuju ke tegangan negatif maksimum (-Vcc). Gambar di bawah ini menunjukkan cara kerja komparator dalam amplifier Kelas-D. Satu input (biarkan terminal Input A) disertakan dengan sinyal yang akan diamplifikasi. Input lain (Input B) diberikan dengan gelombang segitiga yang dihasilkan secara tepat.
Ketika tingkat sinyal secara instan lebih tinggi daripada gelombang segitiga, outputnya menjadi positif. Ketika level sinyal secara instan lebih rendah daripada gelombang segitiga, output menjadi negatif. Hasilnya adalah rantai pulsa di mana lebar pulsa sebanding dengan tingkat sinyal sesaat. Ini dikenal sebagai Modulasi Lebar Pulsa atau PWM.
Rangkaian switching umumnya dirancang dengan menggunakan MOSFET. Sangat penting untuk merancang bahwa rangkaian switching menghasilkan sinyal yang tidak tumpang tindih atau Anda mengalami masalah korsleting supply Anda langsung ke ground atau jika menggunakan supply split korsleting supply.
Ini dikenal sebagai tembakan, tetapi dapat dicegah dengan memasukkan sinyal gerbang yang tidak tumpang tindih ke MOSFET. Waktu yang tidak tumpang tindih dikenal sebagai Waktu Mati (dead time).
Dalam merancang sinyal-sinyal ini, kita harus menjaga waktu mati sesingkat mungkin untuk mempertahankan sinyal output distorsi rendah yang akurat tetapi harus cukup lama untuk menjaga kedua MOSFET dari melakukan pada waktu yang sama.
Waktu MOSFET berada dalam mode linier juga harus dikurangi yang akan membantu memastikan bahwa MOSFET bekerja secara serempak daripada keduanya melakukan pada saat yang sama.
Untuk aplikasi ini, MOSFET daya harus digunakan karena penambahan daya dalam desain. Rangkaian Amplifier Kelas D digunakan untuk efisiensi tinggi, tetapi MOSFET memiliki body dioda bawaan yang bersifat parasit dan akan memungkinkan arus terus freewheel selama waktu mati.
Dioda Schottky dapat ditambahkan secara paralel ke saluran dan sumber MOSFET untuk mengurangi kerugian melalui MOSFET. Ini mengurangi kerugiannya karena dioda Schottky lebih cepat dari body dioda MOSFET memastikan bahwa body dioda tidak melakukan selama waktu mati.
Untuk mengurangi kerugian akibat frekuensi tinggi, dioda Schottky yang paralel dengan MOSFET praktis dan diperlukan. Dioda Schottky ini memastikan bahwa tegangan melintasi MOSFET sebelum dimatikan.
Operasi keseluruhan MOSFET dan tahap output analog dengan operasi konverter Buck sinkron. Input dan output bentuk gelombang dari rangkaian switching ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Filter orde 2 diinginkan sehingga kami memiliki roll -40dB/Decade. Kisaran frekuensi cut-off adalah antara 20 kHz hingga sekitar 50 kHz karena fakta bahwa manusia tidak dapat mendengar apa pun di atas 20 kHz.
Gambar di bawah ini menunjukkan filter Butterworth orde 2. Alasan utama kami memilih Filter Butterworth adalah karena memerlukan komponen paling sedikit dan memiliki respons datar dengan frekuensi terputus yang tajam.
Teknologi penguat Kelas D membuat dampak yang meningkat pada dunia suara langsung dengan menawarkan daya tinggi dengan disipasi daya nol dan lebih sedikit berat daripada sebelumnya. Saat ini, perangkat musik portabel menjadi lebih populer dengan meningkatnya permintaan akan suara eksternal dalam perangkat musik portabel.
Amplifikasi audio kadang-kadang dilakukan dengan teknologi penguat tabung tetapi ini berukuran besar dan tidak cocok untuk sistem suara elektronik portabel. Untuk sebagian besar kebutuhan amplifikasi audio, insinyur teknik memilih untuk menggunakan transistor dalam mode linier untuk membuat output skala berdasarkan pada input kecil.
Ini bukan desain terbaik untuk amplifier audio karena Transistor dalam operasi linier akan terus berjalan, menghasilkan panas, dan mengkonsumsi daya. Kehilangan panas ini adalah alasan utama mengapa mode linear tidak optimal untuk aplikasi audio portabel yang dioperasikan dengan baterai.
Ada banyak kelas amplifier audio ; A, B, AB, C, D, E, dan F. Ini diklasifikasikan ke dalam dua mode operasi yang berbeda, linear dan switching.
Mode Power Amplifier Linear - Kelas A, Kelas B, Kelas AB dan Kelas C adalah semua penguat mode linier yang memiliki output yang sebanding dengan input mereka. Penguat mode linier tidak jenuh, nyala sepenuhnya atau mati total.
Karena transistor selalu berjalan, panas dihasilkan dan daya terus menerus dikonsumsi. Ini adalah alasan mengapa penguat linier memiliki efisiensi yang lebih rendah bila dibandingkan dengan switching penguat.
Switching Penguat Kelas D, E dan F adalah Switching penguat. Mereka memiliki efisiensi yang lebih tinggi, yang secara teoritis seharusnya 100%. Ini karena tidak ada energi yang hilang akibat disipasi panas.
Apa itu Rangkaian Amplifier Kelas D?
Rangkaian Amplifier Kelas D adalah penguat switching dan ketika dalam keadaan "ON" itu akan menghantarkan arus tetapi memiliki tegangan hampir nol di seluruh sakelar, oleh karena itu tidak ada panas yang hilang karena konsumsi daya.Ketika berada dalam mode "OFF" tegangan supply akan melintasi MOSFET, tetapi karena tidak ada aliran arus, sakelar tidak mengkonsumsi daya apa pun. Penguat hanya akan mengkonsumsi daya selama transisi on/off jika arus kebocoran tidak diperhitungkan. Rangkaian Amplifier Kelas D terdiri dari tahapan berikut:
- Modulator PWM
- Rangkaian switching
- Output low pass Filter
Modulator PWM
Kita membutuhkan blok bangunan rangkaian yang dikenal sebagai pembanding (komparator). Komparator memiliki dua input, yaitu Input A dan Input B. Ketika Input A memiliki tegangan lebih tinggi daripada Input B, output dari komparator akan menuju ke tegangan positif maksimum (+ Vcc).Ketika Input A memiliki tegangan lebih rendah daripada Input B, output komparator akan menuju ke tegangan negatif maksimum (-Vcc). Gambar di bawah ini menunjukkan cara kerja komparator dalam amplifier Kelas-D. Satu input (biarkan terminal Input A) disertakan dengan sinyal yang akan diamplifikasi. Input lain (Input B) diberikan dengan gelombang segitiga yang dihasilkan secara tepat.
Ketika tingkat sinyal secara instan lebih tinggi daripada gelombang segitiga, outputnya menjadi positif. Ketika level sinyal secara instan lebih rendah daripada gelombang segitiga, output menjadi negatif. Hasilnya adalah rantai pulsa di mana lebar pulsa sebanding dengan tingkat sinyal sesaat. Ini dikenal sebagai Modulasi Lebar Pulsa atau PWM.
Rangkaian Switching (beralih)
Meskipun output komparator adalah representasi digital dari sinyal audio input, itu tidak memiliki daya untuk menggerakkan beban (speaker). Tugas dari rangkaian switching ini adalah untuk memberikan penguatan daya yang cukup, yang sangat penting untuk amplifier.Rangkaian switching umumnya dirancang dengan menggunakan MOSFET. Sangat penting untuk merancang bahwa rangkaian switching menghasilkan sinyal yang tidak tumpang tindih atau Anda mengalami masalah korsleting supply Anda langsung ke ground atau jika menggunakan supply split korsleting supply.
Ini dikenal sebagai tembakan, tetapi dapat dicegah dengan memasukkan sinyal gerbang yang tidak tumpang tindih ke MOSFET. Waktu yang tidak tumpang tindih dikenal sebagai Waktu Mati (dead time).
Dalam merancang sinyal-sinyal ini, kita harus menjaga waktu mati sesingkat mungkin untuk mempertahankan sinyal output distorsi rendah yang akurat tetapi harus cukup lama untuk menjaga kedua MOSFET dari melakukan pada waktu yang sama.
Waktu MOSFET berada dalam mode linier juga harus dikurangi yang akan membantu memastikan bahwa MOSFET bekerja secara serempak daripada keduanya melakukan pada saat yang sama.
Untuk aplikasi ini, MOSFET daya harus digunakan karena penambahan daya dalam desain. Rangkaian Amplifier Kelas D digunakan untuk efisiensi tinggi, tetapi MOSFET memiliki body dioda bawaan yang bersifat parasit dan akan memungkinkan arus terus freewheel selama waktu mati.
Dioda Schottky dapat ditambahkan secara paralel ke saluran dan sumber MOSFET untuk mengurangi kerugian melalui MOSFET. Ini mengurangi kerugiannya karena dioda Schottky lebih cepat dari body dioda MOSFET memastikan bahwa body dioda tidak melakukan selama waktu mati.
Untuk mengurangi kerugian akibat frekuensi tinggi, dioda Schottky yang paralel dengan MOSFET praktis dan diperlukan. Dioda Schottky ini memastikan bahwa tegangan melintasi MOSFET sebelum dimatikan.
Operasi keseluruhan MOSFET dan tahap output analog dengan operasi konverter Buck sinkron. Input dan output bentuk gelombang dari rangkaian switching ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Output Low Pass Filter
Tahap terakhir dari rangkaian amplifier Kelas D adalah filter output yang mengurangi dan menghilangkan harmonik dari frekuensi sinyal switching. Ini dapat dilakukan dengan pengaturan Low Pass Filter umum, tetapi yang paling umum adalah kombinasi Induktor dan Kapasitor.Filter orde 2 diinginkan sehingga kami memiliki roll -40dB/Decade. Kisaran frekuensi cut-off adalah antara 20 kHz hingga sekitar 50 kHz karena fakta bahwa manusia tidak dapat mendengar apa pun di atas 20 kHz.
Gambar di bawah ini menunjukkan filter Butterworth orde 2. Alasan utama kami memilih Filter Butterworth adalah karena memerlukan komponen paling sedikit dan memiliki respons datar dengan frekuensi terputus yang tajam.
Aplikasi Rangkain Penguat Amplifier Kelas D
Ini lebih cocok untuk perangkat portabel karena tidak mengandung pengaturan pendingin ekstra. Sangat mudah dibawa. Rangkaian amplifier kelas D daya tinggi telah menjadi standar dalam banyak aplikasi elektronik konsumen seperti- Perangkat televisi dan sistem teater rumah.
- Elektronik konsumen volume tinggi
- Penguat headphone
- Teknologi seluler
- Otomotif