Come funziona un amplificatore audio per auto? – La fase di output di Classe D
Mentre continuiamo il nostro sguardo su come funzionano gli amplificatori audio per auto, dobbiamo discutere quello che è diventato il design più popolare oggi sul mercato:amplificatori che utilizzano uno stadio di uscita di classe D. Nei regni audiofili, i design di Classe D hanno spesso una reputazione sfavorevole. I loro svantaggi superano i loro vantaggi? Diamo un'occhiata!
Come funziona uno stadio di uscita di classe D?
Una volta che lo stadio di ingresso ha gestito tutte le esigenze di elaborazione del segnale, il segnale audio viene passato allo stadio di uscita in modo che aumenti di tensione e i MOSFET possono fornire quantità adeguate di corrente per pilotare i nostri altoparlanti a impedenza relativamente bassa. In un moderno amplificatore di classe D, i dispositivi di uscita MOSFET sono alimentati da un circuito integrato che gestisce la conversione del segnale analogico in un segnale modulato a larghezza di impulso.
Che cos'è un segnale modulato in ampiezza di impulso?
Immagina, se vuoi, una lampadina a incandescenza. Colleghiamo la lampadina a una fonte di alimentazione e inseriamo un interruttore controllato da computer in serie con il circuito. Se lasciamo l'interruttore spento, la luce rimane spenta. Se accendiamo l'interruttore, la luce si illumina alla massima luminosità. Tuttavia, se accendiamo e spegniamo l'interruttore molto rapidamente e l'interruttore è acceso finché è spento, la lampadina si illuminerà a metà della sua luminosità possibile. Questa variazione del tempo di accensione e spegnimento è chiamata duty cycle. Quando il tempo di accensione e spegnimento è uguale, si tratta di un ciclo di lavoro del 50%. L'utilizzo di un segnale a onda quadra con cicli di lavoro diversi è chiamato modulazione della larghezza dell'impulso (o PWM in breve).
Il driver di classe D analizza il segnale audio a velocità estremamente elevate (alcune fino a 800 kHz) e crea un segnale PWM a tensione relativamente bassa che alimenta i dispositivi di uscita. I dispositivi di uscita si accendono e si spengono molto rapidamente. Poiché i dispositivi trascorrono pochissimo tempo in uno stato parzialmente acceso, presentano pochissima resistenza e, di conseguenza, consumano pochissima energia. I migliori amplificatori in Classe D sul mercato offrono efficienze complessive che superano il 92% a piena potenza. Questa eccellente efficienza è in contrasto con gli amplificatori di Classe AB che trasformano tra il 35% e il 50% dell'energia immessa nell'amplificatore in calore.
I compact disc utilizzano una versione di PWM in cui il ciclo di lavoro dell'impulso di uscita è memorizzato in una parola digitale a 16 bit. Questo ci dà 65.536 possibili livelli di ampiezza. A differenza dei moderni driver di Classe D, il nostro audio viene archiviato a 44.100 campioni al secondo. Questo è ancora più che sufficiente per riprodurre l'intero spettro audio.
Disposizione dei circuiti di classe D
Infine, gli amplificatori di Classe D hanno tipicamente i loro dispositivi di uscita disposti in una configurazione di Classe AB, dove un dispositivo pilota la parte negativa della forma d'onda e l'altro pilota quella positiva. In quanto tale, la Classe D descrive come vengono utilizzati i dispositivi di uscita, piuttosto che il loro orientamento elettrico nel circuito.
Svantaggi dei design degli amplificatori di classe D
Se hai letto gli articoli di BestCarAudio.com sulla distorsione, allora sai che un segnale AC a onda quadra è composto da un gran numero di armoniche ad alta frequenza. Probabilmente hai sentito questo fenomeno nella tua casa se hai un dimmer su alcune luci. Il filamento delle luci squillerà occasionalmente, a seconda del livello del dimmer. Poiché vogliamo solo ritrasmettere un segnale audio all'altoparlante, i progettisti di amplificatori aggiungono una rete di filtri passivi all'uscita dei MOSFET. This network includes an inductor in series with the load as well as a capacitor and resistor in parallel and acts as a low-pass filter to remove this high-frequency switching noise.
One drawback of a Class D design is that these output filter components interact with the frequency-dependent variations in load impedance to alter the frequency response of the amplifier. While the effect is minute, it can give Class D amps a different overall tonal balance than you’d get from an AB design. Of course, a little manipulation with a digital signal processor (DSP) will get that back in check in a jiffy.
Another issue with all this high-frequency energy is the potential for electrical interference with other systems in the vehicle. Most commonly, AM or FM radio reception can be washed out or dramatically reduced. While the better amplifier manufacturers do everything possible to mitigate radio-frequency interference, problems can still occur — the best plan to keep the amplifier as far away as possible from the radio antenna.
Why Would You Want a Class D Amplifier?
The long and the short of it is that companies have invested in developing Class D amplifiers in an effort to shrink the physical size requirements of amplifiers, supposedly to make it easier for installation technicians to find mounting locations for them. The reality is, heatsinks for amplifiers are one of the more expensive single components in an amplifier. If the size of the heatsink can be reduced, so can the cost of the amplifier. The days of 40- and 50-watts-per-channel stereo amps with a footprint of more than a square foot are long gone, thanks to modern Class D designs. Now, you can get more than 1,000 watts of power from that same physical space.
Class D amplifiers are a good solution for subwoofer systems because they do offer increased efficiency over their Class AB counterparts, and almost all amplifier manufacturers have at least one series of Class D amplifier in their catalog. Your local specialist mobile enhancement retailer can help you choose a solution with the right power level, number of channels and features to make your car stereo sound great.