Chi progetta sistemi audio o conosce la materia, sa bene come un amplificatore di classe D sia molto più efficiente rispetto ad uno di classe A, B oppure AB.
Questi ultimi citati, definiti amplificatori lineari, si caratterizzano per avere delle perdite di potenza dovute alla polarizzazione e alla presenza di transistor in uscita che operano sempre linearmente.
Cosa Significa Amplificatore Classe D?
In un ampli in classe D, i transistor funzionano, in realtà, come semplici interruttori con il compito di inviare la corrente in direzione del carico, perdendo, di fatto, pochissima potenza. Le perdite minime registrate sono dovute principalmente alle resistenze incluse nei transistor, alla fase di commutazione e alla corrente cosiddetta di riposo. Il calore che si genera all’interno di un amplificatore, in generale richiede dissipazione, operazione che richiama comunque potenza, la quale viene sottratta all’amplificazione audio.
In un amplificatore di classe D, i dissipatori sono ridotti o addirittura possono non essere presenti, e, per questo motivo, un sistema audio compatto trova logica l’installazione di un amplificatore in classe D. Minimo ingombro, potenza maggiore.
Cos’è e cosa Significa Amplificatore Classe D?
Un amplificatore classe D è un ampli a commutazione che ha il compito di generare unicamente degli impulsi in seguito ad un segnale che passa da analogico a digitale, per poi riformulare una conversione opposta, da digitale ad analogica.
Questi dispositivi si caratterizzano per avere una elevata efficienza energetica e per tale motivo vengono identificate come le soluzioni migliori per i sistemi audio portatili o per l’installazione in auto.
Gli amplificatori Classe D tradizionali richiedono la presenza di un filtro esterno chiamato passa-basso, fondamentale per favorire l’estrazione del segnale sonoro dal segnale in uscita.
I prodotti moderni, grazie all’impiego di tecniche di modulazione avanzate, non richiedono nemmeno il filtraggio e sono propensi alla minimizzazione di eventuali interferenze elettromagnetiche.
Il funzionamento di un amplificatore in classe D prevede appunto la doppia conversione di segnale, partendo da una forma analogica in entrata che deve poi uscire sotto il medesimo formato, per andare alle casse audio (tecnicamente si ha un segnale che viene riconvertito in DAC grazie ad una amplificazione degli impulsi).
Per affermare che un amplificatore classe D funziona bene, è necessario misurare le sue prestazioni in base alla risoluzione con la quale avviene il campionamento del segnale analogico e alla rapidità con cui lo stesso viene convertito in impulsi.
Gli amplificatori in classe D
Nel tempo passato l’efficienza della potenza in un amplificatore di classe D che si basava sulla tecnica PWM, generava un vantaggio che è poi stato sminuito dai costi relativi al filtro esterno e dalle prestazioni discutibili in termini di distorsione armonica, rispetto ai sistemi cosiddetti lineari.
Solo la tecnologia moderna ha consentito ai progettisti di migliorare sensibilmente la situazione, andando a compensare il divario con innovative tecniche di modulazione.
Ciò ha comportato una vera e propria evoluzione degli amplificatori in classe D moderni, consentendo loro di integrarsi in sistemi affermati e in sostituzione degli ampli lineari.
Come la classe AB, anche la classe D comporta una buona linearità e una riduzione degli ingombri, in più aggiunge grande potenza.
Per rendere l’idea, gli amplificatori in classe D si trovano anche all’interno degli smartphone, ma pure negli impianti audio installati sui veicoli.
Questo sottintende come siano versatili e in grado di soddisfare grandi aspettative e applicazioni.
Scaldano meno degli altri e richiedono di conseguenza una minore dissipazione del calore.
Un amplificatore in classe D è definito a commutazione e si rende ideale per la gestione delle grandi potenze, anche in applicazioni elettroniche.
Il grado di efficienza è teoricamente il 100%, ovvero il massimo ammissibile, ma in realtà tale percentuale potrebbe ridursi effettivamente di qualche minimo punto percentuale, rimanendo comunque sempre sopra al 92-93%.
Per comprendere meglio il concetto: se la potenza nominale è pari a 500 Watt, quella effettiva (ovvero quella che effettivamente esce dalla cassa) potrebbe essere di circa 475 Watt.
Per funzionare necessitano di un componente chiamato modulatore di ingresso PWM, il quale ha il compito di variare l’ampiezza del segnale in entrata e trasformarlo in un segnale di uscita attraverso un processo dall’elevato rendimento e con bassissime punte di perdita di potenza, la cui dissipazione viene minimizzata.
La costruzione e le caratteristiche di un amplificatore in classe D
La costruzione di un amplificatore classe D di per sé non è poi così complessa, anche se il progetto richiede impegno e attenzione.
La componentistica in generale è di livello medio-buono e i costruttori di questi elementi sanno fornire dei pezzi integrati che semplificano l’assemblaggio e la progettazione.
Se si ricercano amplificatori per la basse potenze, il mercato è ricco di proposte e soluzioni, mentre più complicato è trovare le risposte alle amplificazioni (di qualità) per gestire le potenze più elevate.
Un parametro importante è quello che viene definito come risoluzione iniziale.
Essa risulta ottimale se è a 24 oppure a 32 bit, con gamma dinamica da 144 dB e 194 dB, valori che richiedono un PWM minimo di 192 kHz.
Per l’elettronica ad uno consumer, ovvero quella più diffusa e a costi più ridotti, risultano sufficienti 12 oppure 16 bit, ossia 100 dB e 100 kHz per risposta dinamica dei suoni e velocità di commutazione.
La distorsione di un amplificatore classe D è oggi realmente minino: si parla di valori pari allo 0,1% con molti prodotti che raggiungono anche lo 0,01%, offrendo un livello di elevata purezza armonica.
Se non interessano troppo questi valori, il mercato propone anche altre scelte, compensate però da una migliore efficienza energetica e notevole riduzione dei consumi.
Altra variabile utile per valutare la performance di un amplificatore classe D è la Power Supply Rejaction Ratio, più comunemente abbreviata con l’acronimo PSRR.
Tale parametro misura il rapporto necessario utile per calcolare la variazione del valor medio della tensione di uscita in base alla variazione di tensione dell’alimentazione.
Il risultato è utile per misurare la stabilità prestazionale del sistema di amplificazione nel momento in cui non sempre si ha stabilità di corrente elettrica.
Tale parametro è molto importante, ad esempio, nella progettazione e costruzione di un amplificatore per automobile.
Il dato relativo al PSRR è espresso in dB. Più questo è elevato, maggiore stabilità tensionale si ha nei transistor e, di conseguenza, anche l’audio elaborato sarà migliore, con un netto beneficio della amplificazione del suono.
Addentriamoci per qualche riga nella parte tecnica.
Sono diversi gli ampli in classe D che impiegano la retroazione negativa tra l’uscita PWM e l’input del sistema, configurandosi secondo uno schema definito ad anello chiuso.
Lo scopo è quello di migliorare la linearità e di ottenere un buon valore PSSR. La reiezione all’alimentazione in un circuito aperto è invece minima.
La costruzione ad anello chiuso è sicuramente vantaggiosa, ma comporta problemi di stabilità, tipica situazione riferita all’utilizzo della retroazione.
La progettazione richiede quindi un’applicazione molto fine del concetto e lo schema deve essere curato nei minimi dettagli, compensando i difetti al fine di garantire la stabilità.
In un amplificatore classe D così progettato si ha una notevole riduzione del rumore, originariamente generato dal modulatore PWM che non presenta linearità.
Applicazioni pratiche degli amplificatori di classe D:
Gli amplificatori di classe D sono molto versatili e possono essere utilizzati in diverse applicazioni audio.
Ad esempio, sono ideali per i sistemi di home theatre, dove le dimensioni compatte si sposano bene con l’esigenza di avere un sistema audio potente e di alta qualità.
Inoltre sono spesso utilizzati in impianti audio professionali, dove la potenza e l’efficienza energetica sono essenziali.
Gli amplificatori di classe D sono anche comunemente utilizzati nei sistemi di car audio, grazie alla loro compattezza e alla loro capacità di gestire grandi potenze.
Tecniche di modulazione utilizzate nei moderni amplificatori di classe D:
I moderni amplificatori di classe D utilizzano diverse tecniche di modulazione per migliorare la qualità del suono.
- Ad esempio, la modulazione Delta-Sigma è una tecnica avanzata che utilizza un sistema di feedback per eliminare gli errori di quantizzazione e migliorare la precisione del segnale.
- Inoltre, la modulazione PWM (Pulse Width Modulation) utilizza impulsi di larghezza variabile per controllare la potenza del segnale e ridurre la distorsione.
- Altre tecniche di modulazione avanzate includono la modulazione ad anello chiuso e la modulazione a larghezza di impulso variabile.
Vantaggi e svantaggi dell’utilizzo di amplificatori di classe D:
Gli amplificatori di classe D offrono diversi vantaggi rispetto ad altre classi di amplificazione. Ad esempio, sono molto efficienti dal punto di vista energetico, il che significa che producono meno calore e richiedono meno dissipazione.
Sono più compatti rispetto ad altre classi di amplificazione, il che li rende ideali per l’utilizzo in spazi ristretti.
Tuttavia possono avere una minore precisione rispetto ad altre classi di amplificazione e possono essere più soggetti a problemi di distorsione oltre ad essere più costosi rispetto ad altre classi di amplificazione, a causa della loro complessità tecnologica.
Le altre classi di amplificatori
Se avete in mente le classi energetiche con cui vengono categorizzati gli elettrodomestici, pensate che per gli amplificatori vale l’esatto contrario.
Se un frigorifero in classe A è meglio di uno in classe C, per un amplificatore la classe D è la migliore possibile, poi a salire con l’alfabeto le altre.
Quindi, un ampli in classe D disperde meno potenza rispetto ad uno in classe A e quindi risulta migliore e più efficiente.
Per fare funzionare un amplificatore classe A è necessario dotarlo di dissipatori molto più preformanti rispetto a quelli presenti in un sistema di classe AB con potenza identica.
Il rapporto è di circa 5:1. Un dissipatore di classe A è caratterizzato da grande inerzia termica e ha la capacità di integrare interamente le variazioni di temperatura.
Lo stesso vale per un ampli in classe AB. La differenza con la classe D sta proprio in questi espedienti necessari per poter stabilizzare il sistema.
Amplificatore classe A:
Si ottiene una amplificazione pari al 100% del segnale e spesso non presenta distorsioni relative ai suoni emessi dai cross over.
La tecnica realizzativa fa in modo che gli amplificatori in classe A siano ammessi per bassa frequenza, media e alta frequenza.
Molta energia viene però dispersa, al punto che in teoria l’efficienza di un ampli in classe A si attesta sul 25%.
Ciò fa in modo che questa tipologia di amplificazione è quasi in disuso e comunque limitata a valori ridotti di potenza.
Dal punto di vista della elaborazione, è possibile migliorare il controllo e la distorsione, ma a perderci è il gain, ossia il guadagno.
Amplificatore classe B:
Più efficiente del precedente, al punto che il rendimento minimo è del 50%, fino a circa il 75% di massimo.
L’amplificazione ottenibile è però del 50%, ma è possibile utilizzare anche un doppio ampli in classe B per ricostruire l’amplificazione totale del segnale come nella classe analizzata in precedenza, ma con maggior efficienza.
Amplificatori classe AB:
L’amplificazione che si ottiene è compresa tra il 50% e il 100%, senza però mai raggiungere il livello massimo, mentre l’efficienza teorica si attesta nello stesso range considerato per la classe B.
Unendo due amplificatori AB è possibile ottenere un beneficio che consiste nell’amplificazione totale, riducendo moltissimo la distorsione in concomitanza delle commutazioni di segnale (cross over).
Amplificatori classe C:
Il segnale amplificato da questo genere di prodotti è del 50% e hanno una tecnica costruttiva che rende idoneo l’ampli in classe C per le alte frequenze.
Anche se i valori di efficienza medi sono compresi in un intervallo tra il 70% e il 90%, ci sono particolari condizioni che possono spingere a percentuali prossime al 100%.
Vi sono anche altre classi, ma quella più apprezzata, per efficienza e rapporto qualità – costi – dimensioni, è la classe D, che oggi interessa la maggior parte degli amplificatori in commercio.
Domande Correlate
Che differenze pratiche e sostanziali ci sono tra un amplificatore classe A e uno B?
Un amplificatore in classe A offre distorsioni minime, ma il transistor si caratterizza per assorbire sempre la medesima tensione, che richiede però dissipazione in grande quantità.
Ecco perché non consente di ottenere grandi potenze in uscita, anche se la distorsione minima consente una buona valutazione complessiva.
La classe B viene generata polarizzando in maniera diversa un ampli di classe A: grande potenza ma molta distorsione.
I finali usano molto la classe AB, in grado di coniugare una grande potenza in uscita senza esagerare con la generazione del calore.
Come viene fatto il confronto tra le diverse classi di amplificazione?
Le principali diversità tra queste classi descritte riguardano semplicemente un confronto tra potenza, distorsione ed efficienza.
Se l’amplificatore classe A presenta una distorsione molto bassa ma ottenuta con poca efficienza (tanto consumo a fronte di poca potenza), uno in classe B riesce ad avere un miglioramento sotto l’aspetto dell’efficienza, incrementando quindi la potenza a fronte di consumi leggermente ridotti, perdendo però in naturalezza del suono, il quale risulta più distorto.
Un amplificatore di classe D rappresenta la proposta ideale, quella che tecnicamente e praticamente riesce ad accontentare tutti: elevate potenze, consumi ridotti, distorsione controllata e minimizzata.
Dove si trovano più comunemente gli amplificatori di classe D?
Vista la versatilità del sistema, è possibile ritrovare ampli in classe D in diversi ambiti, dall’elettronica agli impianti Hi-Fi.
Un settore dove la classe D è molto diffusa perchè capace di offrire diversi vantaggi pratici (ottima amplificazione, stabilizzazione della tensione elettrica e ingombri dimensionali ridotti) è il car audio.
Gli amplificatori a sè stanti, in grado di lavorare il segnale audio, sono molto efficienti e danno risultati ottimali sotto ogni aspetto.
