Un progetto di Elettronica Analogica: amplificatore audio anyload

Leopoldo Rossetto

• Editore: Società Editrice Esculapio
• Anno: 2019
• ISBN:
  9788832561609
• Argomento: Tecnologia e ingegneria
• Categoria: Ingegneria elettronica e telecomunicazioni

In questo lavoro ho voluto illustrare il percorso che insegno agli studenti del corso di "Progettazione di elettronica analogica" per lo sviluppo di un progetto: inquadrare il problema, valutare l'ambito di applicazione, maturare una soluzione per passi successivi che, iniziando sempre da una visione di sistema e attraverso versioni via via più dettagliate e complete, tengono in considerazione i principali vincoli energetici e portano alla definizione del circuito finale e dei criteri per realizzarlo. In sintesi un processo di distillazione di modelli sempre più raffinati che forniscono una descrizione del prodotto finale con un dettaglio sempre maggiore. Per uno studente avviarsi su questo percorso costituisce un significativo impegno in quanto è il momento di applicare le varie competenze maturate nel percorso didattico svolto all'università. La mancanza di esperienza può diventare una spinta ad utilizzare ampiamente strumenti di simulazione circuitale (SPICE) che certamente agevolano l'ottenimento di un risultato ma che tuttavia lasciano scoperti importanti aspetti della progettazione (es. layout, aspetti termici, dispersione delle caratteristiche dei componenti, ecc.) e fanno perdere di vista la necessità di saper convivere con un mondo imperfetto nel quale trovare una soluzione ottimale, dove l'ottimo è spesso da definire. È invece importante riconoscere un aspetto fondamentale: l'esperienza del progettista sta crescendo nel momento stesso in cui sta sviluppando il progetto. La scelta di effettuare questo percorso con un progetto reale è giustificata dalla volontà di riportare una attività non puramente accademica, da aula di lezione, ma soprattutto una esperienza di laboratorio. Il progetto di un amplificatore audio è una buona occasione in quanto, oltre richiedere approfondite conoscenze di molti argomenti di elettronica analogica coinvolgendo aspetti di elettronica di potenza e di elettronica lineare e di precisione, si sviluppa in un ambito ampiamente dibattuto nel quale convergono sia l'esperienza progettuale ingegneristica, supportata dai calcoli e dalle misure, sia le considerazioni soggettive, ma da non trascurare, di chi valuta il risultato finale solamente tramite un accurato ascolto. Mi auguro quindi che questa avventura possa stimolare la verifica delle conoscenze che pensiamo di possedere nel campo dell'elettronica analogica e aiutarci a trasformarle in utili competenze per un futuro da progettisti.

3

Stadio finale

Nel capitolo 2 è stata effettuata una valutazione di massima delle caratteristiche dello stadio finale. In particolare sono stati valutati, anche se in forma approssimata, gli stress di tensione, corrente e potenza a cui sono sottoposti i dispositivi dello stadio di uscita, valori che, per garantire le prestazioni richieste dal progetto, hanno portato alla necessità di considerare una soluzione con più dispositivi di potenza in parallelo. In questo capitolo si cercherà di approfondire lo studio arrivando alla completa definizione dello stadio finale composto dallo stadio di potenza e dal suo driver.

3.1 Stadio di potenza

La prima proposta di soluzione per lo stadio di potenza discussa nel capitolo 2 ha preso in considerazione una soluzione che adotta una coppia di PowerMOS (figura 2.4) adeguata per garantire tensioni e correnti su un carico resistivo di 8Ω. Invece, analizzando il funzionamento dell’amplificatore su un carico da 1Ω è stato valutato che per la gestione della potenza richiesta sono necessarie almeno 6 coppie di PowerMOS in parallelo. Quindi, nelle condizioni di carico massimo ogni PowerMOS è chiamato ad erogare una corrente massima pari a:

I dispositivi PowerMOS indicati (IRFP240 e IRFP9240) sono certamente dispositivi adeguati alle richieste ma se si valuta la resistenza di canale in zona ohmica, quindi già fuori della zona in cui possono essere utilizzati come amplificatori lineari, si ottengono i dati riassunti nella tabella 3.1.

Tabella 3.1: Valori di R_{DS_ON} per i MOSFET IRFP240 e IRFP9240 per due differenti temperature di giunzione.

Nella tabella si osserva, in particolare, che il dispositivo a canale P, percorso dalla massima corrente prevista, presenta una caduta pari a quasi 7V se utilizzato in condizioni operative prossime a 80°C di temperatura di giunzione.

Questo significa che la tensione di alimentazione deve avere un ampio margine rispetto alla massima tensione prevista sul carico con un significativo incremento della potenza dissipata e una corrispondente perdita di efficienza.

Per la realizzazione dello stadio di potenza vale certamente la pena valutare, come alternativa, l’impiego di transistor bipolari. Si può prendere come riferimento la coppia complementare 2SC5200 e 2SA1943 che presenta eccellenti caratteristiche (vedi tabella 3.2).

Tabella 3.2: Principali parametri della coppia di transistor complementari considerata nel progetto (2SC5200 e 2SA1943).

Per questi dispositivi la tensione di saturazione valutata a 10A risulta, per entrambi, inferiore a 1V e quindi decisamente più vantaggiosa rispetto alla caduta di tensione data dalle coppie di dispositivi in tecnologia MOS.

Il primo evidente svantaggio di sostituire i dispositivi di uscita MOS con dei transistor bipolari è la notevole corrente di base richiesta e quindi il carico risultante per lo stadio driver. E’ noto infatti che un dispositivo MOS ha una corrente di gate praticamente nulla a bassa frequenza e comunque di valore limitato a frequenze relativamente elevate, almeno per la banda di frequenze interessata dal segnale audio. Invece, adottando coppie di transistor bipolari, risulta necessaria una corrente di pilotaggio pari a:

dove il valore β_{BJT_min} è stato ottenuto dai datasheet osservando il comportamento sia del dispositivo NPN, sia di quello PNP per correnti di circa 8A e alle temperature di 25°C e 125°C.

Può quindi essere di interesse prendere in considerazione una soluzione che utilizzi una connessione darlington ibrida e cioè realizzata con dispositivi MOS come primo stadio e dispositivi bipolari per la corrente di uscita. La soluzione potrebbe essere quella illustrata in figura 3.1.

In figura 3.1 si sono volutamente inserite 5 coppie di transistor di potenza ipotizzando che, a valle delle considerazioni fatte nel capitolo precedente e osservando l’ampia capacità di erogazione di corrente dei BJT, esse siano sufficienti alla realizzazione dell’amplificatore. In questa condizione ogni BJT è chiamato a contribuire con un quinto della corrente massima di carico e cioè con 10A, ben dentro i limiti dei dispositivi considerati. La corrente nei PowerMOS, ora significativamente più bassa, produce una caduta di tensione che può essere considerata accettabile (≈ 1V).

Figura 3.1: Stadio di potenza a topologia ibrida.

Inoltre va osservato che la configurazione darlington evita che i transistor bipolari arrivino alla saturazione mantenendoli sempre in zona attiva a garanzia di una elevata velocità di risposta.

3.1.1 Valutazione della transconduttanza di un PowerMOS nel punto di riposo

Per analizzare il guadagno dello stadio di figura 3.1 è necessario conoscere la transconduttanza dei transistor bipolari e dei PowerMOS. Se per i primi il valore di transconduttanza si ottiene facilmente nota la corrente di collettore, non è altrettanto immediato per un dispositivo MOS.

Nei datasheet dei PowerMOS è riportato il valore di transconduttanza del dispositivo in un dato punto di lavoro, tipicamente per tensioni e correnti elevate. In prima approssimazione, ricordando l’equazione che consente di calcolare la corrente di drain I_D in funzione della tensione V_GS si può ricavare il valore di transconduttanza anche per valori di corrente differenti e in particolare per il valore di corrente di polarizzazione ¹ . Per un dispositivo MOS si può scrivere:

che espresse nel punto di polarizzazione forniscono:

Dalle equazioni precedenti si ottiene:

Da questi risultati e dai dati di transconduttanza ricavabili dai datasheet dei PowerMOS è possibile ottenere una buona stima del valore di transconduttanza ad un valore di corrente di drain qualsiasi. A titolo di esempio in tabella 3.3 è riportato il valore di transconduttanza per la coppia di PowerMOS alla corrente di I_D = 200mA e I_D = 100mA, possibili valori per la corrente di polarizzazione.

Tabella 3.3: Valori di g_m alla corrente indicata nel datasheet e a una corrente di polarizzazione di 200mA e di 100mA per i PowerMOS IRFP240 e IRFP9240.

3.1.2 Valutaz...

Indice dei contenuti

• Title Page
• Indice
• Introduzione
• 1 - La progettazione elettronica
• 1.1 Lamplificazione dei segnali audio
• 1.2 Note sulla simbologia adottata
• 2 - Struttura dellamplificatore
• 2.2 Struttura dellamplificatore
• 2.3 Analisi del segnale musicale
• 2.4 Analisi del carico
• 2.5 Stadio di potenza: dimensionamento preliminare
• 2.5.1 Funzionamento con resistenza di carico Rload 5E = 8
• 2.5.2 Funzionamento con resistenza di carico Rload = 1
• 2.6 Stadio driver
• 2.7 Stadio di amplificazione
• 2.8 Sistema di alimentazione
• 2.10 Layout circuitale
• 2.11 Protezione dellamplificatore e del carico
• 3 - Stadio finale
• 3.1.1 Valutazione della transconduttanza di un PowerMOS nel punto di riposo
• 3.1.2 Valutazione della corrente di gate
• 3.1.3 Suddivisione della corrente di uscita tra i dispositivi in parallelo
• 3.2 Funzionamento in classe AB+C
• 3.2.1 Calcolo del guadagno dello stadio PowerMOS
• 3.3 Linearizzazione dello stadio finale
• 3.3.1 Osservazioni sulla stabilit della soluzione feedback error correction
• 3.4 Stadio driver
• 3.4.1 Funzionamento del controllo feedback error correction
• 3.4.2 Valutazione della linearit dello stadio finale
• 3.4.3 Implementazione del controllo active error feedback
• 3.4.4 Considerazioni sulla corrente assorbita dal driver
• 3.4.6 Miglioramento del circuito driver
• 3.5 Controllo della polarizzazione
• 3.6 SOA e funzionamento su carico reattivo
• 3.7 Sistema di protezione
• 3.8 Dimensionamento dello stadio finale
• 3.8.2 Dimensionamento dello stadio di potenza
• 3.8.3 Dimensionamento dello stadio driver
• 3.8.4 Dimensionamento del circuito active error feedback
• 3.8.5 Dimensionamento del circuito di accensione dello stadiofinale
• 3.8.6 Dimensionamento del circuito di protezione
• 3.8.7 Dimensionamento del circuito di alimentazione
• 4 - Stadio di amplificazione
• 4.1 Valutazione della linearit
• 4.2 Dimensionamento
• 4.2.1 Dimensionamento del circuito di controllo della polarizzazione dello stadio di potenza
• 4.3 Analisi del comportamento in frequenza
• 4.4 Compensazione in frequenza
• 4.5 Controllo della tensione di offset
• 4.6 Simulazione SPICE dello stadio di amplificazione
• 4.7 Misure sul prototipo
• 4.8 Conclusioni
• 5 - Layout
• 5.2 Il circuito di alimentazione
• 5.3 Collegamento dei condensatori di filtro
• 5.4 Lo stadio finale
• 6 - Preamplificatore
• 6.1.1 Simulazione SPICE e misure
• 6.2 Preamplificatore a triodi
• 6.2.1 Simulazione SPICE e misure
• 7 - Appendici
• 7.1.1 Funzionamento in classe AB
• 7.2 Analisi termica nei circuiti elettronici
• 7.3 Analisi dello stadio Complementary Feedback Pair
• 7.4 Alimentazione ausiliarie
• 7.4.1 Moltiplicatore di tensione
• 7.4.2 Divisore di tensione (voltage splitter)
• Bibliografia
• Back Cover