ITMI20121624A1 - Amplificatore in classe "g" e sistema audio impiegante l'amplificatore - Google Patents
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Description
"AMPLIFICATORE IN CLASSE “G†E SISTEMA AUDIO
IMPIEGANTE L’AMPLIFICATOREâ€
CAMPO TECNICO
La presente descrizione riguarda gli amplificatori di potenza in classe G e, più in particolare, si riferisce ad uno stadio di uscita per amplificatori in classe G. Inoltre, la presente descrizione di riferisce ad un sistema di amplificazione audio.
TECNICA NOTA
Sono noti amplificatori di potenza in classe G composti da due o più stadi di uscita alimentati a differenti tensioni la cui attivazione avviene dinamicamente in accordo con l’ampiezza del segnale di ingresso.
Negli amplificatori in classe G il segnale viene amplificato dallo stadio alimentato alla tensione immediatamente più alta dell’ampiezza istantanea del segnale in ingresso stesso, minimizzando cosi la caduta di tensione sullo stadio di uscita, mentre à ̈ attraversato dalla corrente di carico.
Si ha così una ridotta dissipazione di potenza e un rendimento di potenza maggiore di quello di un amplificatore funzionante in classe B e/o AB, particolarmente con segnali ad alto fattore di cresta, come i segnali audio, i quali si estendono nell’intorno dello zero per la maggior parte del tempo, con rare escursioni ad alto livello.
Alcune utili considerazioni sulle prestazioni degli amplificatori in classe G sono riportate nei seguenti documenti:
- F. H. Raab - Average Efficiency of Class-G Power Amplifiers - IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-32, No. 2, May 1986;
- R. van der Zee, “High Efficiency Audio Power Amplifiers: Design and Practical Use†1999 disponibile Online all’indirizzo: www.ub.utwente.nl/webdocs/el/1/t000000d.pdf Gli stadi di potenza dell’amplificatore in classe G sono configurati secondo due topologie di base: la topologia serie (in inglese “stacked†) e quella parallela (in inglese “shunt†).
Alcuni esempi di stadi di potenza per amplificatori in classe G, nella topologia serie, sono descritti nel documento US-A-3961280 ed US-A-3772606.
Alcuni esempi di stadi di potenza per amplificatori in classe G, nella tipologia parallela, sono descritti nei seguenti documenti:
- D. H. Horrocks - Active filter power dissipation reduction using improbe op amp output stage - Digital and Analogue Filters and Filtering Systems, IEE Colloquium on , 25 May 1990;
- D. Self - Audio Power Amplifier Design Handbook -Newnes, Capitolo 10.
Con riferimento al documento di D.H. Horroks sopra citato, questo descrive un amplificatore in classe G di topologia parallela (figura 1(a)) ed uno di topologia serie (figura 1(b)), ciascuno provvisto di due stadi BJT in classe B. In tale documento si considerano due alimentazioni simmetriche: una prima tensione avente un valore inferiore, ± VL,e una seconda tensione avente un valore superiore, ± VH.Il primo stadio in classe B presenta due transitori (Q1 e Q2) in configurazione push-pull alimentati dalle tensioni inferiori ±VLe il secondo stadio in classe B Ã ̈ provvisto di altri due transistori in configurazione push-pull (Q3 e Q4) alimentati dalle tensioni superiori ±VH.
Nel funzionamento, degli amplificatori descritto nell’articolo di D.H. Horroks quando l’ampiezza di un segnale di ingresso à ̈ inferiore al valore ± VL, la corrente da fornire ad un carico à ̈ generata da quei transistori (Q1 e Q2) che sono alimentati dalla tensione inferiore ± VL.Quando, l’ampiezza del segnale di ingresso cresce ulteriormente, la corrente elettrica al carico à ̈ fornita, dopo una fase di commutazione, dai transitori Q3 e Q4 alimentati dalle tensioni superiori ±VH. In particolare, per la topologia parallela i transitori Q1 e Q2 sono spenti quando sono in funzione i transistori Q3 e Q4, mentre per la topologia serie, i transistori Q1 e Q2 rimangono accesi e sono isolati dalle alimentazioni inferiori ±VLmediante dei diodi.
Gli amplificatori in classe G di tipo noto presentano un problema che ne ha limitato la diffusione nelle applicazioni audio ad “alta fedeltà †: tale problema à ̈ la distorsione della forma d’onda nella commutazione tra i vari stadi amplificatori, anche nota come “rumore di commutazione†.
Tale rumore di commutazione si presenta particolarmente alle alte frequenze della banda audio, come osservato nel documento di T. Sampei at al. - Highest efficiency and super quality audio amplifier using MOS power fets in class G operation -IEEE Transactions on Consumer Electronics, Vol. CE-24, No. 3, August 1978. Tale documento propone l’impiego di transistori di potenza di tipo MOSFET. SOMMARIO
La Richiedente ha percepito che à ̈ possibile ridurre il problema del rumore di commutazione, tipico degli amplificatori in classe G della tecnica nota, adottando uno stadio di uscita che comprenda transistori di pilotaggio e transistori di potenza collegati in modo da formare coppie Sziklai.
In particolare, un amplificatore in classe G Ã ̈ definito dalla rivendicazione 1 mentre le rivendicazioni dipendenti definiscono altre possibili forme di realizzazione. La rivendicazione 14 definisce uno sistema audio impiegante un amplificatore in classe G.
BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE
Verranno di seguito descritte alcune forme di realizzazione esemplificative non limitative, facendo riferimento alle figure annesse, in cui:
la figura 1 mostra schematicamente un sistema audio comprendente un esempio di un amplificatore in classe G, collegato ad un carico elettrico;
la figura 2 mostra alcune curve relative a simulazioni effettuate per comparare detto amplificatore in classe G con amplificatori di tipo noto.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA
La figura 1 mostra una forma di realizzazione esemplificativa di un sistema audio 1000 comprendente amplificatore 100 in classe G e un carico elettrico 1, quale un altoparlante. Gli insegnamenti della presente descrizione sono applicabili anche ad amplificatori in classe G non impiegati per segnali audio.
L’amplificatore 100 mostrato in figura à ̈ di tipo a topologia parallela (in inglese, “shunt†) e a simmetria complementare. Nell’esempio di figura 1, sono rappresentati tre stadi in parallelo, ciascuno in classe B, ma l’amplificatore 100 può comprendere anche un numero diverso di stadi.
L’amplificatore 100 comprende un modulo di pilotaggio 70, una prima pluralità di terminali di alimentazione 3 ed un modulo di potenza 80, collegabile al carico elettrico 1, esterno all’amplificatore 100, ed avente resistenza Rload. In particolare, l’amplificatore 100 à ̈ dotato di un modulo di pre-pilotaggio 60 comprendente un primo terminale di ingresso 2 per un primo segnale di ingresso Vpre, quale un segnale in tensione. Il primo terminale di ingresso 2 à ̈ collegato ad un circuito di pre-pilotaggio comprendente un transistore superiore TUe un transistore inferiore TD, entrambi di tipo bipolare (BJT, Bipolar Junction Transistor) collegati in una configurazione push-pull.
Nel caso particolare mostrato, il transistore superiore TUÃ ̈ di tipo NPN mentre il transistore inferiore TDÃ ̈ di tipo PNP. Il transistore superiore TUpresenta un proprio terminale di collettore collegato ad un terminale di alimentazione di una tensione positiva (+VH), un proprio terminale di base collegato al primo terminale di ingresso 2 ed un proprio terminale di emettitore collegato ad un secondo terminale di ingresso 4, per fornire un secondo segnale di ingresso Vin al modulo di pilotaggio 70.
Il transistore inferiore TDpresenta un proprio terminale di collettore collegato ad un terminale di alimentazione di una tensione negativa (-VH), un proprio terminale di base collegato al primo terminale di ingresso 2 ed un proprio terminale di emettitore collegato al secondo terminale di ingresso 4, per fornire il secondo segnale di ingresso Vin al modulo di pilotaggio 70.
Il modulo di pre-pilotaggio 60 Ã ̈ configurato per operare come amplificatore in classe B e il transistore superiore TUÃ ̈ attivo per valori positivi del primo segnale di ingresso Vpre, mentre il transistore inferiore TDÃ ̈ attivo per valori negativi del primo segnale di ingresso Vpre.
La prima pluralità di terminali di alimentazione 3 comprende, nell’esempio, un primo terminale di alimentazione 5 per una prima tensione di alimentazione VL, un secondo terminale di alimentazione 6 per una seconda tensione di alimentazione positiva VMe un terzo terminale di alimentazione 7 per una terza tensione di alimentazione positiva VH. Il valore della terza tensione di alimentazione positiva VHcoincide con il valore della tensione di alimentazione positiva del modulo di pre-pilotaggio 60.
La prima tensione di alimentazione positiva VL, la seconda tensione di alimentazione positiva VMe la terza tensione di alimentazione positiva VHrispettano la seguente relazione:
VL< VM< VH(1)
Una seconda pluralità di terminali di alimentazione 8 comprende, nell’esempio, un quarto terminale di alimentazione 9 per una prima tensione di alimentazione negativa -VL, un quinto terminale di alimentazione 10 per una seconda tensione di alimentazione negativa -VMe un terzo terminale di alimentazione 11 per una terza tensione di alimentazione negativa -VH.
Il primo terminale di alimentazione 5 à ̈ collegato ad un anodo di un primo diodo Schottky DS1e il quarto terminale di alimentazione 9 à ̈ collegato ad un catodo di un secondo diodo Schottky DS2.Il secondo terminale di alimentazione 6 à ̈ collegato ad un anodo di un terzo diodo Schottky DS3e il quinto terminale di alimentazione 10 à ̈ collegato ad un catodo di un quarto diodo Schottky DS4. In alternativa ai diodi Schottky potrebbero essere impiegati altre tipologie di circuiti fissatori (in inglese, “clamper circuits†). I circuiti clamper permettono di evitare, mediante un traslazione del livello in corrente continua che un segnale ecceda una ampiezza definita. (per favore controllare e correggere) In ogni caso, secondo le tecnologie attualmente disponibili, i diodi Schottky risultano preferiti in quanto presentano elevata rapidità di commutazione e risultano meno costosi e più semplici di altri circuiti fissatori.
Il modulo di pilotaggio 70 comprende, secondo l’esempio mostrato, una pluralità di coppie di transistori di pilotaggio in configurazione push-pull e cioà ̈ una pluralità di amplificatori a simmetria complementare in classe B.
In particolare, il modulo di pilotaggio 70 include un primo transistore di pilotaggio Q1A(per esempio, di tipo PNP)e un secondo transistore di pilotaggio Q2A(per esempio, di tipo NPN), che formano un primo amplificatore di pilotaggio push-pull. Inoltre, il modulo di pilotaggio 70 include un terzo transistore di pilotaggio Q3A(di tipo PNP) e un quarto transistore di pilotaggio Q4A(di tipo NPN),che formano un secondo amplificatore di pilotaggio push-pull. Il modulo di pilotaggio 70 include anche un quinto transistore di pilotaggio Q5A(di tipo PNP) e un sesto transistore di pilotaggio Q6A(di tipo NPN),che formano un terzo amplificatore di pilotaggio push-pull.
Come definito dalla relazione (1), la coppia push-pull Q1A-Q2A,à ̈ destinata ad essere alimentata da una tensione elettrica che à ̈ in modulo inferiore a quella tensione che alimenta la coppia push-pull Q3A-Q4A, la quale à ̈ inferiore a quella che alimenta la coppia push-pull Q5A-Q6A.
Il primo Q1A, il terzo Q3Ae il quinto transistore di pilotaggio Q5Apresentano ciascuno il proprio terminale di base collegato al secondo terminale di ingresso 4 per ricevere il secondo segnale di ingresso Vin. Il secondo Q2A, il quarto Q4Ae il sesto transistore di pilotaggio Q6Apresentano ciascuno il proprio terminale di base collegato al secondo terminale di ingresso 4 per ricevere il secondo segnale di ingresso Vin.
Il relativo terminale di collettore del primo transistore di pilotaggio Q1Aà ̈ collegato ad un primo nodo 12 a sua volta collegato ad un catodo del primo diodo Schottky DS1,mediante un primo resistore di regolazione Rn1, avente una rispettiva prima resistenza anch’essa indicata con Rn1. Il relativo terminale di collettore del secondo transistore di pilotaggio Q2Aà ̈ collegato ad un secondo nodo 13 a sua volta collegato ad un anodo del secondo diodo Schottky DS2,mediante un secondo resistore di regolazione Rp1,avente una rispettiva seconda resistenza anch’essa indicata con Rp1.
Il relativo terminale di collettore del terzo transistore di pilotaggio Q3Aà ̈ collegato ad un terzo nodo 14 a sua volta collegato ad un catodo del terzo diodo Schottky DS3,mediante un terzo resistore di regolazione Rn2, avente una rispettiva terza resistenza anch’essa indicata con Rn2. Il relativo terminale di collettore del quarto transistore di pilotaggio Q4Aà ̈ collegato ad un quarto nodo 15 a sua volta collegato ad un anodo del quarto diodo Schottky DS4,mediante un quarto resistore di regolazione Rp2, avente una rispettiva quarta resistenza anch’essa indicata con Rp2.
Il relativo terminale di collettore del quinto transistore di pilotaggio Q5Aà ̈ collegato ad un quinto nodo 16 a sua volta collegato al terzo terminale di alimentazione 7,mediante un quinto resistore di regolazione Rn3, avente una rispettiva quinta resistenza anch’essa indicata con Rn3. Il relativo terminale di collettore del sesto transistore di pilotaggio Q6Aà ̈ collegato ad un sesto nodo 17 a sua volta collegato al sesto terminale di alimentazione 11,mediante un sesto resistore di regolazione Rp3, avente una rispettiva sesta resistenza anch’essa indicata con Rp3.
Il relativo terminale di emettitore del primo transistore di pilotaggio Q1Aà ̈ collegato ad un terminale di uscita 18,mediante un primo resistore di degenerazione 19, avente una prima resistenza di degenerazione Re1. Il relativo terminale di emettitore del secondo transistore di pilotaggio Q2Aà ̈ collegato al terminale di uscita 18,mediante un secondo resistore di degenerazione 20, avente una seconda resistenza di degenerazione Re2. Il terminale di uscita 18 à ̈ atto a ricevere un segnale di uscita Vout (in tensione) dall’amplificatore 100 ed à ̈ collegabile al carico elettrico 1.
Il relativo terminale di emettitore del terzo transistore di pilotaggio Q3AÃ ̈ collegato al terminale di uscita 18,mediante un terzo resistore di degenerazione 21, avente la medesima prima resistenza di degenerazione Re1. Il relativo terminale di emettitore del quarto transistore di pilotaggio Q4AÃ ̈ collegato al terminale di uscita 18,mediante un quarto resistore di degenerazione 22, avente la medesima seconda resistenza Re2.
Il relativo terminale di emettitore del quinto transistore di pilotaggio Q5AÃ ̈ collegato al terminale di uscita 18,mediante un quinto resistore di degenerazione 23, avente la medesima prima resistenza di degenerazione Re1. Il relativo terminale di emettitore del sesto transistore di pilotaggio Q6AÃ ̈ collegato al terminale di uscita 18,mediante un sesto resistore di degenerazione 24, avente la medesima seconda resistenza Re2.
In particolare, la prima resistenza Rn1à ̈ superiore alla terza resistenza Rn2, la quale à ̈ superiore alla quinta resistenza Rn3:
Rn1> Rn2> Rn3(2)
In particolare, la seconda resistenza Rp1à ̈ superiore alla quarta resistenza Rp2, la quale à ̈ superiore alla sesta resistenza Rp3:
Rp1> Rp2> Rp3(3)
Si consideri ora un esempio del modulo di potenza 80, il quale comprende un primo transistore di potenza Q1(nell’esempio, di tipo NPN) e un secondo transistore di potenza Q2(per esempio, di tipo PNP), che formano un primo amplificatore di potenza pushpull. Inoltre, il modulo di potenza 80 include un terzo transistore di potenza Q3(di tipo NPN) e un quarto transistore di potenza Q4(di tipo PNP),che formano un secondo amplificatore di potenza pushpull. Il modulo di potenza 80 include anche un quinto transistore di potenza Q5(di tipo NPN) e un sesto transistore di potenza Q6(di tipo NPN),che formano un terzo amplificatore di potenza push-pull.
Il primo Q1, il terzo Q3e il quinto transistore di potenza Q5presentano ciascuno il proprio terminale di base collegato, rispettivamente, al primo nodo 12, al terzo nodo 14 e al quinto nodo 16. Il secondo Q2, il quarto Q3e il sesto transistore di potenza Q6presentano ciascuno il proprio terminale di base collegato, rispettivamente, al secondo nodo 13, al quarto nodo 15 e al sesto nodo 17.
Il primo Q1, il terzo Q3, il quinto transistore di potenza Q5e il secondo Q2, il quarto Q4e il sesto transistore di potenza Q6presentano ciascuno il rispettivo terminale di collettore collegato al terminale di uscita 18.
Il relativo terminale di emettitore del primo transistore di potenza Q1à ̈ collegato ad un settimo nodo 25 disposto fra il primo resistore di regolazione Rn1e il catodo del primo diodo Schottky DS1. Il relativo terminale di emettitore del secondo transistore di potenza Q2à ̈ collegato ad un ottavo nodo 26 disposto fra il secondo resistore di regolazione Rp1e l’anodo del secondo diodo Schottky DS2.
Il relativo terminale di emettitore del terzo transistore di potenza Q3à ̈ collegato ad un nono nodo 27 disposto fra il terzo resistore di regolazione Rn2e il catodo del terzo diodo Schottky DS3. Il relativo terminale di emettitore del quarto transistore di potenza Q4à ̈ collegato ad un decimo nodo 28 disposto fra il quarto resistore di regolazione Rp2e l’anodo del quarto diodo Schottky DS4.
Il relativo terminale di emettitore del quinto transistore di potenza Q5Ã ̈ collegato ad un undicesimo nodo 29 disposto fra il quinto resistore di regolazione Rn3e il terzo terminale di alimentazione 7. Il relativo terminale di emettitore del sesto transistore di potenza Q6Ã ̈ collegato ad un dodicesimo nodo 30 disposto fra il sesto resistore di regolazione Rp3e il sesto terminale di alimentazione 11.
Si osservi che ciascuna delle seguenti coppie di transitori QiA-Qi:
- primo transistore di pilotaggio Q1Ae primo transistore di potenza Q1,
- secondo transistore di pilotaggio Q2Ae secondo transistore di potenza Q2
- terzo transistore di pilotaggio Q3Ae terzo transistore di potenza Q3;
- quarto transistore di pilotaggio Q4Ae quarto transistore di potenza Q4;
- quinto transistore di pilotaggio Q5Ae quinto transistore di potenza Q5;
- sesto transistore di pilotaggio Q6Ae sesto transistore di potenza Q6,
forma una coppia di transistori in retroazione complementare, nota anche con il termine di “coppia Sziklai†(in inglese, “Sziklai pair†). Una coppia Sziklai include due transitori bipolari a drogaggio complementare collegati in modo che la corrente fornita da un transistore sia amplificata dall’altro transistore.
Appare evidente per il tecnico del ramo sulla base della precedente descrizione realizzare un amplificatore in classe G che comprenda stadi in classe AB, e non in classe B come esemplificativamente mostrato, ed includa transitori di pilotaggio e transistori di potenza che formino relative coppie Sziklai.
Verrà ora descritto un esempio di funzionamento dell’amplificatore 100. La seguente descrizione si riferirà , esemplificativamente, una prima tensione di ingresso, corrispondente al primo segnale di ingresso Vpre, positiva e crescente. Al crescere della prima tensione di ingresso Vpre il modulo di pre-pilotaggio 60 restituisce un seconda tensione di ingresso e cioà ̈, il secondo segnale di ingresso Vin, che segue il medesimo andamento della prima tensione di ingresso Vpre.
Si osservi che ciascuna delle coppie di transistori QiA-Qisopra elencata opera come un singolo transistore equivalente in cui il terminale di base coincide con il terminale di base del relativo transistore di pilotaggio QiA, il terminale di emettitore coincide con il terminale di emettitore del relativo transistore di pilotaggio QiA(a ameno di una resistenza di degenerazione nulla o trascurabile) e il terminale di collettore coincide con il terminale di emettitore del relativo transistore di potenza Qi.
Ad esempio, la coppia formata dal primo transistore di pilotaggio Q1Ae dal primo transistore di potenza Q1, coincide con un transistore NPN avente: come terminale di base il secondo terminale di ingresso 4, come terminale di emettitore il terminale di uscita 18 e come terminale di collettore il settimo nodo 25.
I valori della prima resistenza Rn1, della terza resistenza Rn2e della quinta resistenza Rn3e quelli della seconda resistenza Rp1,della quarta resistenza Rp2e della sesta resistenza Rp3consentono di fissare le soglie di accensione dei rispettivi transitori equivalenti QiA-Qi.
Fino a quando la seconda tensione di ingresso Vin cresce, ma si mantiene inferiore al valore della prima tensione di alimentazione positiva VL, il primo transistore di pilotaggio Q1A, il terzo transistore di pilotaggio Q3Ae il quinto transistore di pilotaggio Q5Asono accesi ed assorbono una relativa corrente (all’incirca la stessa corrente). In tale situazione, il primo transistore di potenza Q1à ̈ anch’esso acceso mentre il terzo transistore di potenza Q3e il quinto transistore di potenza Q5risultano spenti.
La situazione sopra descritta si verifica perché il valore della prima resistenza Rn1à ̈ tale per cui la tensione elettrica al terminale di base del primo transistore di pilotaggio Q1à ̈ sufficientemente bassa (rispetto al potenziale di emettitore) da causarne l’accensione (la differenza di potenziale tra emettitore e base Veb e’ maggiore della tensione di soglia), portandolo inizialmente nella regione attiva.
Invece, i valori della terza resistenza Rn2e della quinta resistenza Rn3(che rispettano la relazione (2)) sono tali per cui le tensioni dei terminali di base, rispettivamente, del terzo transistore di potenza Q3e del quinto transistore di potenza Q5mantengono tali transistori in interdizione.
Si indichi con Vthla tensione di soglia di una giunzione pn dei transistori di pilotaggio Q1-Q6dell’amplificatore 100, e con Ic la corrente di collettore che interessa sostanzialmente il primo transistore di pilotaggio Q1A, il terzo transistore di pilotaggio Q3Ae il quinto transistore di pilotaggio Q5A, nella situazione sopra descritta.
In questa situazione, si verifica che la tensione base-emettitore VBE(1) =Rn1Ic à ̈ superiore al valore di soglia Vth, per il primo transistore di pilotaggio Q1A.
La tensione base-emettitore VBE(3)= Rn2Ic per il terzo transistore di potenza Q3Ã ̈ inferiore al valore di soglia Vthe la tensione base-emettitore VBE(3)= Rn3Ic, per il terzo transistore di potenza Q3,sono inferiori al valore di soglia Vthe quindi tali transitori rimangono in interdizione.
Quindi, la coppia formata dal primo transistore di pilotaggio Q1Ae dal primo transistore di potenza Q1, alimentata dalla prima tensione di alimentazione positiva VLmediante il primo diodo Schottky DS1,fornisce la corrente al carico elettrico 1 portando il terminale di uscita 18 ad un corrispondente valore della tensione di uscita Vout.
All’aumentare del valore positivo della seconda tensione di ingresso Vin, e in particolare al suo approssimarsi alla prima tensione di alimentazione positiva VL, il primo transistore di pilotaggio Q1Aviene portato gradualmente in saturazione e la sua corrente di collettore diminuisce, mentre aumenta la corrente di collettore che interessa il terzo transistore di pilotaggio Q3A.
Ciò fa sì che il terzo transistore di pilotaggio Q3Aentri gradualmente nella regione attiva mentre il primo transistore di pilotaggio Q1Asi porta gradualmente verso l’interdizione. Anche la corrente di collettore del primo transistore di potenza Q1decresce.
In questa fase iniziale della commutazione, la corrente che interessa il primo diodo Schottky DS1decresce, mentre aumenta in maniera complementare la corrente che attraversa il terzo diodo Schottky DS3. Fino a quando il primo diodo Schottky DS1non si trova in una condizione di polarizzazione inversa, la tensione di uscita Vout segue sostanzialmente l’andamento della seconda tensione di ingresso Vin salvo un limitato effetto di “clamping†che ne riduce la pendenza positiva.
Quando la seconda tensione di ingresso Vin supera la prima tensione di alimentazione positiva VLil primo transistore di pilotaggio Q1Asarà completamente spento (cioà ̈ in interdizione) mentre il terzo transistore di pilotaggio Q3Aassorbirà più corrente di quanto avvenisse in precedenza; la bassa corrente, praticamente nulla, che attraversa il primo resistore Rn1fa sì che il primo transistore di potenza Q1si porti in interdizione mentre l’incremento della corrente che attraversa il quinto resistore di regolazione Rn3causa l’accensione del terzo transistore di potenza Q3.Durante l’accensione del terzo transistore di potenza Q3avviene una fase di “recovery†di questo terzo transistore di potenza Q3.
Si noti che la quinta resistenza Rn3, che soddisfa la relazione (2), presenta un valore tale da consentire l’accensione del terzo transistore di potenza Q3quando la seconda tensione di ingresso Vinsupera la prima tensione di alimentazione positiva VL.
Una volta compiuta tale commutazione e fino a quando la seconda tensione di ingresso Vin à ̈ inferiore alla seconda tensione di alimentazione positiva VM,la coppia formata dal terzo transistore di pilotaggio Q3Ae dal terzo transistore di potenza Q3, alimentata dalla seconda tensione di alimentazione positiva VMmediante il terzo diodo Schottky DS3,fornisce la corrente al carico elettrico 1 portando il terminale di uscita 18 ad un corrispondente valore della tensione di uscita Vout.
In questa condizione, il primo transistore di pilotaggio Q1A, il primo transistore di potenza Q1e il secondo transistore di potenza Q2sono in interdizione.
Una seconda fase di commutazione avviene quando la seconda tensione di ingresso Vin si approssima e supera la seconda tensione di alimentazione positiva VLed à ̈ analoga a quella sopra descritta. In questo caso, una volta avvenuta la seconda commutazione, la coppia formata dal quinto transistore di pilotaggio Q5Ae dal quinto transistore di potenza Q5, alimentata dalla terza tensione di alimentazione positiva VH,fornisce la corrente al carico elettrico 1 portando il terminale di uscita 18 ad un corrispondente valore della tensione di uscita Vout.
La Richiedente osserva che l’amplificatore 100 presenta considerevoli vantaggi, in relazione al rumore di commutazione, rispetto ad amplificatori realizzati secondo la tecnica nota. A tal proposito, la Richiedente ha effettuato delle simulazioni al computer per comparare un amplificatore analogo all’amplificatore 100 sopra descritto con un amplificatore convenzionale in classe G avente topologia serie e con un amplificatore convenzionale in classe G avente topologia parallela, entrambi configurati in modo analogo agli amplificatori descritti nel sopraccitato articolo di D. H. Horrocks - Active filter power dissipation reduction using improbe op amp output stage - Digital and Analogue Filters and Filtering Systems, IEE Colloquium on , 25 May 1990.
I risultati di tale simulazione sono riportati in figura 2, la quale mostra:
- una prima curva A relativa al primo segnale di ingresso Vpre, ossia ad una tensione elettrica sinusoidale;
- una seconda curva B relativa ad una prima tensione di uscita di confronto Vout(B) ottenibile mediante un amplificatore in classe G di tipo convenzionale nella configurazione parallela avente per ingresso il primo segnale di ingresso Vpre;
- una terza curva C relativa ad una seconda tensione di uscita di confronto Vout(C) ottenibile mediante un amplificatore in classe G di tipo convenzionale nella configurazione serie avente per ingresso il primo segnale di ingresso Vpre;
- una quarta curva D relativa alla tensione di uscita Vout(A) ottenibile con un amplificatore analogo all’amplificatore 100 sopra descritto avente per ingresso il primo segnale di ingresso Vpre.
Inoltre, la figura 2 mostra, in un riquadro laterale, un ingrandimento degli andamenti delle curve A-C sopra elencate e corrispondente alla fase di commutazione da uno stadio amplificatore con tensione di alimentazione inferiore verso uno stadio amplificatore con tensione di alimentazione superiore.
Con riguardo alla seconda curva B e alla terza curva C, relative a tecniche convenzionali, si osservi la presenza di rumore di commutazione. In particolare, il rumore di commutazione presenta un effetto di “blocco†(in inglese, “clamping†) della tensione ed un effetto di “picco†(in inglese, “bump†della tensione.
L’effetto di clamping si manifesta con un decremento della prima tensione di uscita di confronto Vout(B) e della seconda tensione di uscita di confronto Vout(C). Tale clamping avviene durante una fase di spegnimento dei transistori relativi allo stadio amplificatore a tensione più bassa.
Come si apprezza dall’analisi della quarta curva D, questa presenta un effetto di clamping estremamente ridotto rispetto a quanto avvenga nella seconda curva B e nella terza curva C. Queste migliori prestazioni dell’amplificatore 100 rispetto a quelle degli amplificatori convenzionali à ̈ riconducibile ad una linearizzazione introdotta dalla retroazione locale associata all’utilizzo delle coppie Sziklai.
In merito all’effetto di bump, questo si manifesta con un impulso sovrapposto alla prima tensione di uscita di confronto Vout(B) e alla seconda tensione di uscita di confronto Vout(C). Tale impulso si verifica quando comincia ad accendersi, fase di recovery, lo stadio amplificatore alimentato dalla tensione maggiore di quella impiegata prima della commutazione.
Questo impulso à ̈ dovuto alla “carica accumulata†(in inglese, “charge storage†) nella base del transistore di potenza che si sta accendendo come conseguenza della commutazione e la sua ampiezza e la sua durata sono inversamente proporzionali alla velocità con cui viene evacuata la carica in eccesso immagazzinata. Tale velocità di evacuazione della carica in eccesso à ̈ funzione del “tempo di immagazzinamento†(in inglese “storage time†) dei transitori di potenza.
Si osservi che nella quarta curva D, relativa all’amplificatore 100, non à ̈ presente alcun impulso tipico della fase di recovery degli amplificatori realizzati secondo la tecnica nota. L’utilizzo di coppia Sziklai riduce questo impulso che si verifica grazie al suo effetto di linearizzazione.
Inoltre, si à ̈ osservato la coppia Skizlai presenta una soglia di accensione (in particolare l’accensione del relativo transistore di potenza Qi) che non à ̈ criticamente dipendente dal valore della propria resistenza di regolazione, quali sono nell’esempio, le resistenze Rn1, Rn2ed Rn3e le resistenze Rp1, Rp2ed Rp3. Cioà ̈, possono essere impiegate resistenze di regolazione con valori non ottimali senza alterare il funzionamento dell’amplificatore 100. Ciò consente, come indicato nelle relazioni (2) e (3), di ridurre il valore della resistenza di regolazione degli stadi a tensione di alimentazione superiore rispetto agli stadi a tensione di alimentazione inferiore. Riducendo il valore della resistenza di regolazione si riduce anche lo storage time del relativo transistore di potenza Q1-Q6, con conseguente riduzione dell’effetto bump.
Si osservi che le resistenze di degenerazione Re1 e Re2, presenti sui relativi terminali di emettitore dei transistori di pilotaggio Q1A-Q6A, presentano il vantaggio di limitare la corrente di base del relativo transistore di potenza Q1-Q6, limitandone il “charge storage†e rendendo la successiva fase di “recovery†più rapida e priva di rumore impulsivo sull’uscita.
Quindi le simulazioni hanno mostrato una considerevole riduzione del rumore di commutazione ottenibile con l’amplificatore 100.
Questo risultato presenta anche il vantaggio di poter consentire l’impiego nell’amplificatore 100 transitori di potenza Q1-Q6non particolarmente veloci e cioà ̈, per esempio, con frequenza di commutazione pari a circa 3Mhz ed evitare l’impiego di transistori più veloci, e più costosi, aventi cioà ̈ una frequenza di commutazione di qualche decina di Mhz.
Claims (14)
- RIVENDICAZIONI 1. Amplificatore (100) in classe G, comprendente: un primo ed un secondo transistore di pilotaggio (Q1A, Q2A) configurati per ricevere una tensione di ingresso (Vin); un primo terminale di alimentazione (5) collegato al primo transistore di pilotaggio (Q1A) per fornire una prima tensione di alimentazione (VL); un secondo terminale di alimentazione (6) collegato al secondo transistore di pilotaggio (Q2A) per fornire una seconda tensione di alimentazione (VM) superiore in modulo a detta prima tensione; un primo transistore di potenza (Q1) collegato al primo transistore di pilotaggio (Q1A) in modo da formare una prima coppia Sziklai strutturata per attivarsi per una tensione ingresso (Vin) inferiore in modulo alla prima tensione di alimentazione (VL); un secondo transistore di potenza (Q3) collegato al secondo transistore di pilotaggio (Q3A) in modo da formare una seconda coppia Sziklai strutturata per attivarsi per un segnale di ingresso compreso fra la prima tensione di alimentazione e la seconda tensione di alimentazione.
- 2. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente: un primo resistore di regolazione (Rn1) avente una prima resistenza di regolazione e collegato a detta prima coppia Sziklai in modo che una prima soglia di attivazione della prima coppia Sziklai sia dipendente da detta prima resistenza; un secondo resistore di regolazione (Rn2) avente una seconda resistenza di regolazione inferiore a detta prima resistenza di regolazione e collegato a detta seconda coppia Sziklai in modo che una seconda soglia di attivazione della seconda coppia Sziklai sia dipendente da detta seconda resistenza un terminale di uscita (18) per un segnale di uscita correlato a detto segnale di ingresso e collegato elettricamente ad un rispettivo terminale di collettore di detto primo transistore di potenza (Q1) e di detto secondo transistore di potenza (Q2).
- 3. Amplificatore secondo la rivendicazione 2, in cui: il primo resistore di regolazione (Rn1) Ã ̈ collegato fra un terminale di base e un terminale di emettitore di detto primo transistore di potenza (Q1); il secondo resistore di regolazione (Rn2) Ã ̈ collegato fra un terminale di base e un terminale di emettitore di detto secondo transistore di potenza (Q3).
- 4. Amplificatore secondo la rivendicazione 2, inoltre comprendente: un primo resistore di degenerazione (Re1) collegato fra un terminale di emettitore di detto primo transistore di pilotaggio (Q1A) e detto terminale di uscita (18); un secondo resistore di degenerazione (Re1) collegato fra un terminale di emettitore di detto secondo transistore di pilotaggio (Q3A) e detto terminale di uscita (18).
- 5. Amplificatore secondo la rivendicazione 2, inoltre comprendente: un circuito di clamping (DS1) collegato fra il primo terminale di alimentazione (5) e detto primo resistore di regolazione (Rn1).
- 6. Amplificatore secondo la rivendicazione 5, in cui: il circuito di clamping include un primo diodo di alimentazione (DS1) avente un primo terminale di diodo collegato al primo terminale di alimentazione (5) e un secondo terminale di diodo collegato al primo resistore di regolazione (Rn1).
- 7. Amplificatore secondo la rivendicazione 2, in cui detto primo diodo (DS1) Ã ̈ un diodo Schottky.
- 8. Amplificatore secondo la rivendicazione 3, in cui: il primo transistore di potenza (Q1) presenta un relativo terminale di collettore collegato al terminale di uscita (18); il primo transistore di pilotaggio (Q1A) presenta un relativo terminale di collettore collegato al terminale di base del primo transistore di potenza.
- 9. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente uno stadio di pre-pilotaggio (60) configurato per ricevere una tensione da amplificare e fornire detta tensione di ingresso.
- 10. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, in cui il primo transistore di pilotaggio e in classe B e il secondo transistore di potenza à ̈ in classe B. 11. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente: un secondo transistore di pilotaggio (Q2A) collegato al primo transistore di pilotaggio in una configurazione push-pull; un secondo transistore di potenza (Q2) collegato al primo transistore di potenza (Q1) in una configurazione push-pull.
- 11. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, inoltre comprendente un modulo pre-amplificatore strutturato per ricevere un segnale da amplificare e fornire detto segnale di ingresso.
- 12. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, in cui detti transistori di pilotaggio e di potenza sono transistori bipolari.
- 13. Amplificatore secondo la rivendicazione 1, configurato in modo che detta tensione di ingresso corrisponde ad un segnale elettrico audio.
- 14. Sistema audio (1000) comprendente: un altoparlante (1) provvisto di un ingresso per un segnale elettrico amplificato; un amplificatore in classe G configurato per fornire detto segnale elettrico amplificato, comprendente: un primo ed un secondo transistore di pilotaggio (Q1A, Q2A) configurati per ricevere una tensione di ingresso (Vin), un primo terminale di alimentazione (5) collegato al primo transistore di pilotaggio (Q1A) per fornire una prima tensione di alimentazione (VL), un secondo terminale di alimentazione (6) collegato al secondo transistore di pilotaggio (Q2A) per fornire una seconda tensione di alimentazione (VM) superiore in modulo a detta prima tensione; un primo transistore di potenza (Q1) collegato al primo transistore di pilotaggio (Q1A) in modo da formare una prima coppia Sziklai strutturata per attivarsi per una tensione ingresso (Vin) inferiore in modulo alla prima tensione di alimentazione (VL); un secondo transistore di potenza (Q3) collegato al secondo transistore di pilotaggio (Q3A) in modo da formare una seconda coppia Sziklai strutturata per attivarsi per un segnale di ingresso compreso fra la prima tensione di alimentazione e la seconda tensione di alimentazione.
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