di Antonio Grosso e Fabio Cagnetti

Vorremmo proporre una interpretazione diversa della solita evoluzione degli amplificatori audio di potenza, perché il nostro vero interesse è parlare diffusamente di amplificatori audio in classe D, noti come anche switching, o PWM, o anche (purtroppo) come “digitali”. Poniamoci subito una domanda fondamentale: “perché servono gli amplificatori audio di potenza?”. Provare a rispondere in termini tecnici a questa domanda, è la strada maestra che porterà alla comprensione del principio di funzionamento degli amplificatori in classe D, e del perché è nata ed è stata così impiegata questa tecnologia. Prendiamo in considerazione una tipica catena di riproduzione sonora come la figura sotto, così come tutti la conosciamo, ridotta all’osso: una sorgente sonora (per esempio un riproduttore di CD), un amplificatore audio di potenza ed un diffusore elettroacustico. La presenza di un amplificatore audio di potenza all’interno di una catena di riproduzione sonora non sconvolge nessuno; è noto che un amplificatore di potenza è necessario per poter fornire potenza al diffusore, assorbendola dall’alimentazione elettrica.

FIGURA 1: Un esempio minimale di catena di riproduzione sonora

Un parametro prestazionale di qualunque sistema che coinvolga scambi di energia nel tempo (potenza), come è un amplificatore audio o anche l’intera catena di riproduzione, è l’efficienza, qui definita come il rapporto tra la potenza assorbita (entrante nel sistema) e la potenza utile erogata (uscente dal sistema), ovvero la potenza acustica generata. È noto che i sistemi reali hanno efficienza sempre minore di 1 (per la legge della conservazione di energia), il che significa che qualunque sistema è intrinsecamente dissipativo, ovvero esiste un contributo non nullo di energia assorbita che viene persa o meglio dissipata, ad esempio, sotto forma di calore. La catena di riproduzione sonora che stiamo considerando è un sistema, che assorbe energia dall’alimentazione (elettrica, in questo caso) e che fornisce energia sotto forma di energia acustica. Ogni elemento della catena ha la sua efficienza che si combina (moltiplicandosi) con le efficienze degli altri elementi; questo significa che ogni elemento della catena contribuisce ad aumentare la potenza dissipata. Se la catena di riproduzione sonora avesse efficienza unitaria, non servirebbe un amplificatore audio di potenza, come li conosciamo oggi e con le potenze in gioco alle quali siamo abituati. Gli esperti di elettroacustica possono immaginare facilmente cosa vuol dire avere 5W di potenza acustica. In realtà la catena di riproduzione sonora non ha efficienza unitaria, ma un’efficienza molto bassa, nell’ordine del 2%-5%, per essere ottimisti; questa inefficienza energetica è principalmente dovuta all’ultimo elemento della catena: il diffusore elettroacustico.

Il bilancio energetico di una catena di riproduzione sonora

FIGURA 2: Bilancio energetico della catena di riproduzione sonora
in considerazione.

Proviamo a dettagliare maggiormente i vari contributi di potenza assorbita, erogata e dissipata di ogni singolo elemento della catena in considerazione, facendo riferimento alla Figura 2, dal quale abbiamo omesso, perché non rilevante ai fini del bilancio energetico, la presenza della sorgente di segnale (e quindi anche i suoi contributi energetici). La linea tratteggiata in azzurro rappresenta i “confini” del sistema che stiamo considerando, attraverso i quali considerare i contributi di potenza entrante, rappresentati in verde (PIN = potenza assorbita dall’alimentazione elettrica), i contributi di potenza utile erogata, rappresentati in blu (POUT,AC = potenza acustica generata dalla catena) ed i contributi di potenza dissipata, rappresentati in rosso, che sono la somma di tutti i contributi dissipativi dei vari sistemi e sottosistemi che compongono la catena. L’efficienza della catena di riproduzione sonora è il rapporto tra la potenza erogata e quella assorbita, ovvero: POUT,AC/PIN. Ogni singolo elemento della catena (amplificatore o diffusore elettroacustico) può essere descritto con maggior dettaglio. L’amplificatore è essenzialmente composto di due parti: un alimentatore, che ha il compito di fornire l’energia elettrica in modo che sia fruibile e l’amplificatore audio vero e proprio. Ogni singolo sottosistema dell’amplificatore è suscettibile di una descrizione in termini di bilancio energetico ed essendo essi stessi dei sistemi, contribuiranno a loro volta alla dissipazione dell’intero sistema. In particolare l’alimentatore dissiperà una potenza PD,supply, mentre l’amplificatore vero e proprio dissiperà una potenza PD,ampli. La potenza erogata dall’amplificatore all’altoparlante, indicata nella figura come Pout,amp è un trasferimento di potenza interno al sistema “catena di riproduzione” e quindi non fornisce alcun contributo diretto al bilancio energetico. Tale energia elettrica Pout,amp è quella che l’altoparlante assorbe perché possa essere convertita in energia acustica. L’altoparlante a sua volta è composto da due sottosistemi, una parte di “motore”, che converte energia elettrica in energia meccanica, ed una parte di sorgente acustica, che converte energia meccanica in energia acustica. In questa doppia conversione operata dall’altoparlante è la seconda, da energia meccanica ad energia acustica, a rappresentare principalmente il collo di bottiglia del trasferimento energetico dell’intera catena di riproduzione sonora. Nell’attesa che venga inventato e realizzato un altoparlante ad alta efficienza energetica, poiché tutti gli elementi della catena sono dissipativi, occorre concentrarsi nel migliorare l’efficienza dell’amplificatore al fine di ridurre al massimo il suo contributo dissipativo. Per fare questo è utile concentrarsi sul solo amplificatore, andando quindi a restringere i “confini” del sistema in considerazione, come riportato in Figura 3. A questo punto la potenza Pout,amp, ovvero la potenza erogata dal sistema Amplificatore, è la potenza utile da considerare e non è più un solo trasferimento interno, pertanto l’efficienza sarà ora definita come il rapporto tra Pout,amp/PIN.

FIGURA 3: Bilancio energetico del solo amplificatore audio di potenza.

Perché e dove dissipano gli amplificatori audio di potenza

Un amplificatore audio di potenza è essenzialmente un sistema elettrico che assorbendo energia dall’alimentazione elettrica è in grado di “condizionarla” e fornirla al suo carico elettrico, ovvero l’altoparlante. Il condizionamento di energia a cui si fa riferimento è la funzionalità stessa dell’amplificatore audio: assorbire energia da un generatore di tensione continua (l’alimentazione) ed erogarla all’altoparlante, a meno del contributo di potenza dissipata, con un andamento nel tempo uguale a quello del segnale audio di ingresso. Questo condizionamento, come già accennato, non è ideale, ma una parte di potenza assorbita viene dissipata. In figura 4 è schematizzato lo stadio finale di un amplificatore audio di potenza.

FIGURA 4: schematizzazione elementare di uno stadio finale di un amplificatore audio di potenza.

Il circuito di pilotaggio fornisce il segnale con l’opportuna forma d’onda ai due transistori di potenza (in questo caso due MOSFET, ma è solo un esempio). Questa schematizzazione spinta non è casuale: infatti vale sia per gli amplificatori più tradizionali (in classe AB, per esempio) che per quelli in classe D, vero obiettivo di questi articoli. Nel caso di un amplificatore in classe AB il circuito di pilotaggio farà in modo che i vari segnali, nel caso in cui si stia amplificando una sinusoide, abbiano gli andamenti come riportati in Figura 5. Come si può notare dallo schema la tensione di alimentazione è volutamente maggiore della tensione sull’altoparlante: questo è un requisito fondamentale perché nel caso in cui si desiderasse un segnale di tensione più ampio sull’altoparlante, l’alimentatore deve avere sufficiente margine per non causare il fenomeno di saturazione (noto anche come clipping) del segnale audio di uscita. Purtroppo, per questa stessa ragione, la parte di tensione che non cade ai capi del carico, come riportato in Figura 5, cade ai capi del transistore di potenza.

FIGURA 5: una istantanea dell’amplificatore in funzionamento.

Poiché la corrente elettrica che deve fluire nell’altoparlante affinché possa funzionare non può che essere fornita dal transistore, il transistore stesso si troverà ad avere una tensione ai suoi capi (indichiamola con VDS) ed a essere attraversato da una corrente elettrica (ID); in queste condizioni il transistore dissipa una potenza elettrica pari al prodotto VDS×ID. Ci interessa fare notare che la causa di dissipazione del transistore di potenza è dovuta essenzialmente alla differenza tra la tensione sull’altoparlante e la tensione di alimentazione. Questa osservazione, per quanto banale possa sembrare, è la pietra miliare che ha portato all’utilizzo nel campo audio degli amplificatori in classe D. E’ chiaro, sin da ora, che se fossimo in grado di ridurre questa differenza, saremmo in grado di ridurre anche la dissipazione quindi, a parità di potenza erogata all’altoparlante, di aumentare l’efficienza dell’amplificatore.

In che modo l’applicazione “audio” influenza l’efficienza di un amplificatore
Purtroppo il contesto “audio” non facilita questa ricerca di alta efficienza. Sono due gli aspetti principali che suffragano questa affermazione:

• I segnali audio, quelli normalmente riprodotti dai sistemi audio, non sono sinusoidi ma sono (per fortuna!) segnali musicali o parlato. Le caratteristiche statistiche dei segnali audio sono profondamente diverse dai segnali sinusoidali e sono, purtroppo, peggiorative per quanto riguarda l’efficienza.

• I carichi reali degli amplificatori (gli altoparlanti) sono reattivi. Senza proporre calcoli di elettrotecnica, la sostanza è che gli altoparlanti oltre ad avere una parte dissipativa hanno anche una parte in grado di immagazzinare energia e di restituirla indietro. Se ad un primo acchito questo può sembrare un aspetto positivo per l’efficienza del sistema, si può mostrare che invece è un aspetto peggiorativo. Chi invece è più familiare con il significato (elettrotecnico) di reattivo, capirà che la presenza di una parte reattiva nell’impedenza dell’altoparlante, significa che tensione ai suoi capi e corrente che vi scorre non sono in fase: si può mostrare che questo sfasamento è la causa di una maggiore dissipazione di potenza negli amplificatori che erogano potenza su altoparlanti (come è giusto che sia in un contesto audio) e non su resistenze pure.

FIGURA 6: distribuzione delle ampiezze per un tipico segnale audio musicale.

Il primo punto è presto spiegato. Si considerino le figure 6 e 7. In figura 6 è riportata la distribuzione delle ampiezze di uno spezzone di brano audio musicale. I due estremi (-1 e +1) sono i valori nei quali i vari segnali audio hanno raggiunto il massimo valore possibile prima del clipping (idealmente i valori +VSUPPLY e –VSUPPLY, con riferimento alla figura 4). Più ci si avvicina al valore 0 (in centro al grafico) e più i valori di tensione sull’altoparlante sono bassi. L’altezza della curva rappresenta la probabilità che il segnale audio assuma quel determinato valore: il significato di questo grafico è che è molto più probabile trovare bassi valori del segnale audio (infatti la curva è più alta nell’intorno del valore 0) che non di trovare alti valori del segnale audio. Quanto detto è un modo alternativo per affermare, in forma più nota, che i segnali audio sono segnali ad alta dinamica. Se si prende in considerazione nuovamente la figura 5, si vede che quanto appena descritto è il caso in cui la differenza tra la tensione di alimentazione e quella sull’altoparlante è molto elevata, che è un caso sfavorevole per l’efficienza. Il lettore attento obietterà subito sul fatto che se la tensione ai capi del carico è bassa, allora è bassa anche la corrente che scorre nell’altoparlante (e che quindi scorre nel transistore di potenza che dissipa) e dal momento che la potenza dissipata è il prodotto tra tensione e corrente, anche la potenza dissipata dovrebbe essere minore, non maggiore. L’osservazione è pertinente, ma chiediamo un po’ di fiducia nel crederci quando affermiamo che statisticamente, purtroppo, la più alta probabilità di avere bassi valori di tensione sull’altoparlante è un fattore peggiorativo per l’efficienza (per una spiegazione più dettagliata cfr. [1]).

FIGURA 7: distribuzione delle ampiezze per un segnale sinusoidale a confronto con un tipico segnale audio (in blu la sinusoide; in rosso il segnale musicale).

Per contro la distribuzione di probabilità di un segnale sinusoidale, come riportato in figura 7 (a confronto con la distribuzione di un segnale audio), ha un aspetto esattamente opposto a quello dei tipici segnali audio: è molto più probabile trovare valori vicino al clipping che non bassi valori. Questa è invece la situazione migliore per quanto riguarda la dissipazione di potenza degli amplificatori. Per una discussione più approfondita, si vedano i primi capitoli di [2].

Come aumentare l’efficienza

Si fa prima a dire cosa non si può fare. Non si può ascoltare solo sinusoidi, vogliamo tutti ascoltare audio (musica o parlato)! Non si possono usare resistenze al posto di altoparlanti, altrimenti ci cuociamo le uova ma non ascoltiamo nulla. Però una cosa possiamo fare: imparare a convivere con queste necessità e trovare una ragionevole soluzione. Innanzitutto per aumentare l’efficienza occorre ridurre la dissipazione dei transistori di potenza negli stadi finali degli amplificatori audio. Sempre riconsiderando la Figura 5 e considerando che la potenza dissipata è il prodotto tra tensione ai capi del transistore e corrente che scorre in esso, si vede subito che per ridurre la dissipazione di potenza ci sono due soluzioni: corrente nulla o tensione nulla. Corrente nulla significa non far muovere l’altoparlante, perché se annullassimo la corrente che scorre nel transistore di potenza, annulleremmo

anche la corrente che scorre nell’altoparlante. L’altra soluzione è l’unica percorribile, ovvero ridurre a zero (o al minimo possibile) la tensione ai capi dei transistori di potenza. Per ottenere questo è possibile operare in due modi distinti: (1) fare in modo che la tensione di alimentazione “segua” il più possibile la tensione sull’altoparlante; (2) fare in modo che la tensione sull’altoparlante “segua” quanto più possibile la tensione di alimentazione. La prima strada ha portato all’invenzione di varie classi di amplificatori (classe G, classe H, etc.); la seconda ha portato all’utilizzo della tecnologia switching negli amplificatori audio, dando vita agli amplificatori in classe D. La figura 8 prova a schematizzare queste riflessioni.

FIGURA 8: il percorso verso la soluzione “amplificatore in classe D”

Alcune osservazioni

Se facciamo in modo che la tensione sul carico sia sempre uguale o alla tensione di alimentazione positiva o a quella negativa, cosa ascoltiamo? La risposta è semplice: ascoltiamo un segnale di tensione simile ad un’onda quadra che assume i valori +VSUPPLY e –VSUPPLY. Chiaramente questo non è il segnale audio che vogliamo ascoltare… Ma se esistono gli amplificatori in classe D, che sfruttano questo principio, vuol dire che è possibile ascoltare un segnale audio fornendo all’altoparlante un segnale simile ad un’onda quadra? La risposta è ovviamente no. Per capirlo è sufficiente rispondere a questa domanda: ma chi l’ha detto che la tensione di uscita di un amplificatore debba per forza essere uguale a quella desiderata sull’altoparlante? In effetti compiendo questo “passo intellettuale”, intorno al 1950 si affermò la tecnologia di Modulazione a Larghezza di Impulsi (PWM: Pulse Width Modulation) che sta alla base dei moderni amplificatori switching in classe D. Come si può notare, la tecnica PWM non è una invenzione recente, ha circa sessant’anni, ma è solo da poco che tale tecnica viene proficuamente utilizzata nel campo dell’amplificazione audio di potenza.

Conclusioni

Abbiamo voluto spiegare, in termini il più possibile elementari, quali sono stati i passi intellettuali che hanno portato all’idea di utilizzare la tecnologia PWM nel settore dell’amplificazione audio di potenza, dando così alla luce gli amplificatori in classe D. L’approccio che ci è parso più naturale, e che abbiamo proposto al lettore, è di adottare l’efficienza energetica come filo conduttore della presentazione, per poter comprendere in maniera intuitiva perché la soluzione “classe D” è una soluzione ad alta efficienza.

BIBLIOGRAFIA

[1] Botti, Cagnetti – ACHIEVING HIGHEFFICIENCY IN INTEGRATED AUDIO POWER AMPLIFIERS FOR AUTOMOTIVE APPLICATIONS, AES Italian Section, Annual Meeting 2005 Como

[2] Ronan van Der Zee, HIGH EFFICIENCY AUDIO POWER AMPLIFIERS

Gli autori

Antonio Grosso Si laurea al politecnico di Milano con una tesi su amplificatori in classe D integrati su silicio per applicazioni automotive. Prima di far parte della società bdSound, Antonio ha lavorato per oltre 10 anni nella progettazione elettronica analogica e digitale in ST Microelectronics, in particolare sui sistemi DAC di potenza e amplificatori in classe D per applicazioni automotive. I suoi campi di esperienza riguardano il design misto analogico/ digitale, programmazione VHDL per FPGA ed ASIC ed il filtraggio adattativo per applicazioni audio (cancellatori d’eco acustica, riduzione del rumore, antilarsen, etc.). È autore di sette brevetti internazionali ed è Tecnico Competente in Acustica.

Fabio Cagnetti Si laurea al Politecnico di Milano con una tesi su amplificatori audio ad alta efficienza e basso irraggiamento integrati su silicio per applicazioni automotive. Prima di entrare a far parte della società bdSound, Fabio è stato progettista in ST Microelectronics di amplificatori audio. I suoi interessi sono nella progettazione elettronica audio analogica, processamento digitale dei segnali audio e filtraggio adattativo.
È autore di quattro brevetti internazionali, full member AES e Tecnico Competente in Acustica.

Gli altri articoli della serie:

01 La Pulse Width Modulation

02 I componenti

03 Power Supply Rejection Ratio

04 Le non idealità

05 Applicazioni in Classe D