Este interessante projeto de amplificador PWM com base no circuito integrado MAX9768 da Maxim foi publicado com base em documentação de 2006. O projeto é bastante interessante e atual, no entanto sugerimos verificar a disponibilidade do circuito integrado e se existem versões mais atuais do mesmo antes de partir para sua execução.
Neste artigo é descrito o projeto de um excelente amplificador monofônico digital, ou seja, classe D com 10 W de potência RMS, alimentação de 14 V usando o circuito integrado MAX9768 da Maxim. Mais informações sobre o desempenho desse projeto podem ser obtidas no próprio site da Maxim (www.maxim-ic.com) onde também pode ser encontradas outras configurações para o mesmo circuito integrado amplificador.
Os amplificadores Classe-D pela sua operação PWM consistem em soluções ideais para aplicações atuais, dado seu alto-rendimento e possibilidade de se obter excelente fidelidade, o que significa menor consumo e maior facilidade de implementação.
O circuito integrado MAX9768 da Maxim consiste numa solução bastante atraente para esse tipo de aplicação podendo ser usado em sistemas multimídias, displays de painel fino (LCD e Plasma), computadores, sistemas de rádio móvel e de segurança.
Esse amplificador, cujo diagrama de blocos é mostrado na figura 1, contém recursos de programação de volume feita digitalmente ou analogicamente com 64 passos e função de mute.
O circuito pode operar com tensões de 4,5 V a 14 V proveniente de fonte simples e pode fornecer até 10 W numa carga de 8 ? com tensão de 14 V.
O invólucro usado é o TQFN-EP de 24 pinos, conforme mostra a figura 2.
A distorção mais ruído (THD+N) é de 10% conforme mostra a curva de resposta da figura 3.
O amplificador usa uma tecnologia de espectro espalhado que reduz a EMI irradiada, possibilitando assim sua utilização em aplicações sensíveis que devam passar por testes que visam comprovar que seus níveis estejam abaixo dos limites estabelecidos pelas normas.
Outra possibilidade interessante é a possibilidade de se fazer o sincronismo com um clock externo de modo que diversos dispositivos trabalhem em conjunto sem problemas.
Como característica importante desse tipo de configuração temos a eficiência que é mostrada no gráfico da figura 4. Essa eficiência está será maior do que 80% para potências acima de 2 W, o que é muito mais do que a obtida nos amplificadores analógicos classe AB, conforme mostra o mesmo gráfico.
Outras Características:
* PSSR de 77 db
* Controle de volume em 64 passos
* Corrente de shutdown de 0,5 uA
* Possui proteção contra curto-circuito e sobrequecimento.
O circuito
Na figura 5 temos o diagrama para uma versão monofônica Class-D para alto-falante com controle de volume por potenciômetro. Veja que diferentemente dos amplificadores analógicos comuns, no potenciômetro não encontramos sinais de áudio, ou seja, ele não atua como um divisor de sinal para o amplificador, mas sim aplica uma tensão que determina digitalmente o volume final de saída.
Esse diferencial é importante pois não temos ruídos produzidos pelo potenciômetro, como ocorre num controle de volume analógico convencional.
O controle de volume é programado digitalmente de modo a apresentar 64 posições, de acordo com a aplicação. Duas entradas de endereço fixam a função controle de volume que é programada por uma interface I2C.
Esse amplificador emprega a tecnologia do espectro espalhado e freqüência de comutação sincronizada de modo a reduzir a emissão de interferências eletromagnéticas (EMI).
Para essa finalidade é usado um esquema de modulação com um mínimo de pulsos de saída quando o aúdio está no cruzamento por zero. Assim, à medida que a tensão de entrada aumenta ou diminui, a duração do pulso em uma das saídas aumenta enquanto que na outra a duração permanece a mesma.
Isso faz com que a tensão líquida sobre o alto-falante (+Vout, -Vout) mude. Com isso temos uma diminuição da EMI e um aumento da eficiência.
Modos de Operação
O circuito integrado MAX9768 permite a operação do amplificador de diversos modos;
a) Modo de Freqüência Fixa
Nessa modalidade pode-se operar com duas freqüências fixas, 300 kHz ou 360 kHz. Para essa finalidade a entrada SYNC deve ser aterrada para selecionar 300 kHz ou deixada desconectada para selecionar 360 kHz.
O espectro de freqüências consiste em uma freqüência fundamental de comutação e suas harmônicas associadas. Nas aplicações em que a posição do sinal fundamental de comutação é importante, para que não caia em freqüências nas quais o restante do equipamento é sensível é importante programar essa freqüência.
b) Modo em Espectro Espalhado
Trata-se de um recurso patenteado do MAX9768 que achata as componentes espectrais, de modo a melhorar o desempenho em termos de emissões de EMI que eventualmente possam ser irradiadas pelo alto-falante e cabos.
O que o circuito faz nesse caso é variar aleatoriamente a freqüência de comutação numa faixa de +/- 7,5 kHz em torno da freqüência central de comutação de 300 kHz. O esquema de modulação permanece o mesmo, mas o período da forma de onda triangular muda de ciclo para ciclo.
Em lugar de uma grande quantidade de energia presente nos múltiplos da freqüência de comutação, o que temos é a energia distribuída por toda a faixa, conforme mostra a figura 6. Nesses gráficos comparamos o espectro de ruídos no modo de freqüência fixa e espectro espalhado.
Observe que existe uma distribuição melhor da energia ao longo do espectro, principalmente na faixa de 10 a 100 MHz, no modo espectro espalhado.
c) Modo com Clock Externo
No modo sincronizado (SYNC) pode-se sincronizar o amplificador com um clock externo ou aproveitar o sinal de sincronismo de um outro amplificador semelhante. Com isso podem ser minimizados os problemas de intermodulação e pode-se alocar a freqüência de comutação de modo que as harmônicas caiam em local insensível do espectro.
Por exemplo, com um sinal de clock entre 1 MHz e 1,6 MHz à entrada SYNC pode-se sincronizar o MAX9768 para operar com 1/4 desse valor. Esse pino também permite que diversos amplificadores sejam cascateado com uma sincronização de clock que evita problemas de interferência devido à problemas de intermodulação causados pela comutação feita por diversas etapas de potência. Na figura 7 mostramos como usar esse recurso em dois amplificadores.
O sinal circulante pela linha de sincronização é muito baixo, pois sua impedância é de 200 k ?.
Esquema de Modulação
Dois esquemas de modulação são possíveis para este amplificador: sem filtro e PWM. Na modulação sem filtro ou PWM Clássica, selecionável pelo pino SCLK, quando o dispositivo está no modo analógico (ADDR2 e ADDR1 aterrados) ou através de uma interface I2C, o esquema permite a eliminação do filtro LC necessário aos esquemas tradicionais de amplificadores Classe D. O que pode ser necessário é o uso de anéis de ferrites para reduzir a EMI, mas isso será suficiente para a maioria das aplicações.
Uma performance melhor pode ser obtida configurando-se o circuito para operação com modulação PWM, mas nesse caso, será preciso usar filtros de saída LC.
Conclusão
Conforme o leitor deve ter percebido, os avanços nas arquiteturas dos amplificadores PWM está aproximando cada vez mais esse tipo de configuração dos amplificadores tradicionais em termos de qualidade com a vantagem de serem muito mais eficientes e terem além disso recursos digitais que os tornam ideais para aplicações modernas.
O exemplo dado de amplificador Classe-D é ideal para a implementação de novos produtos que devam ter áudio de boa qualidade incorporado, servindo de referência para os leitores que trabalham com projetos.
Evidentemente, as explicações que demos nesse artigo servem apenas de ponto de partida para um projeto, com a possibilidade de sua avaliação em termos de custo benefício. No caso de se partir para o projeto em si, a documentação completa pode ser obtida no site da Maxim.
