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Amplificatori audio integrati

Gli amplificatori audio integrati consentono di realizzare, con l’aggiunta di pochi componenti esterni, applicazioni audio diverse tra loro per potenza, efficienza, prestazioni, funzionalità e controllabilità, assicurando compattezza ed elevata affidabilità. Grazie a queste caratteristiche, sostituiscono, ormai da tempo, quasi completamente le vecchie realizzazioni a componenti discreti.

La disponibilità degli amplificatori audio integrati rende oggi quasi scontato il loro impiego nella maggior parte delle applicazioni audio e non solo in quelle che richiedono particolare compattezza. Impiegare integrati ad elevata affidabilità che per la realizzazione dell’amplificatore necessitano di pochi componenti esterni, avere a disposizioni funzionalità ulteriori che ne facilitano il controllo, disporre di dettagliati datasheet e application-note messi a disposizione direttamente dal costruttore, sono tutti aspetti che semplificano notevolmente la progettazione, aumentano l’affidabilità e la compattezza della stessa applicazione e che riducono,  contemporaneamente, tempi e costi di realizzazione.

E’ sufficiente pensare a radio portatili, riproduttori audio CD, telefonini cellulari, videogiochi, televisori, PC portatili, casse acustiche, apparecchiature musicali, sistemi di diffusione al pubblico, per comprendere quante numerose siano le applicazioni dell’elettronica che integrano amplificatori audio. Questo è il motivo per cui molti produttori di circuiti integrati hanno, tra i dispositivi di loro produzione, una infinità di amplificatori audio integrati, da quelli pensati per applicazioni che necessitano di pochi watt o frazioni di watt tipiche delle apparecchiature portatili, a quelli che rendono disponibili qualche decina di watt come accade in un autoradio o centinaia di watt tipici di impianti home theater e  di  diffusione sonora al pubblico. L’evoluzione degli amplificatori audio ha ricalcato quella dell’elettronica, passando da realizzazioni basate interamente sulle valvole termoioniche a realizzazioni allo stato solido basate su transistor BJT e FET. L’evoluzione ha portato alla realizzazione di amplificatori di potenza in classe A, caratterizzati dall’elevata fedeltà ma bassa efficienza, quindi in classe B, caratterizzati da scarsa fedeltà ma elevato efficienza e classe AB, caratterizzati da elevata fedeltà e discreta efficienza fino a giungere ai moderni amplificatori switching in classe D, caratterizzati ormai da buona fedeltà e ottima efficienza. Questi ultimi sono stati, in realtà, per lungo tempo scarsamente considerati dagli audiofili poiché ritenuti di fedeltà inferiore rispetto agli amplificatori in classe A e AB. Nel tempo le loro caratteristiche di fedeltà sono tuttavia molto migliorate, tanto che oggi vengono utilizzati anche nel campo Hi-Fi. Contemporaneamente, l’evoluzione tecnologica ha portato gli stessi amplificatori audio a passare da realizzazioni discrete a realizzazioni monolitiche integrate, soprattutto in classe AB e D, con potenze che coprono campi che vanno da frazioni di watt a decine e centinaia di watt. Oggi, se si desidera integrare in una apparecchiatura un amplificatore audio di potenza, nella maggior parte dei casi, ha poco senso pensare ad una realizzazione interamente discreta poiché l’impiego di amplificatori audio integrati rende la progettazione molto più rapida e agevole e le apparecchiature performanti e affidabili. Di seguito faremo un breve viaggio tra le caratteristiche generali degli amplificatori audio di potenza integrati prendendo come riferimento prevalentemente quelli in classe AB ed in classe D di STMicroelectronics. In ogni caso molte delle loro caratteristiche e funzionalità possono essere ritenute comuni anche ad amplificatori integrati di altri costruttori come Analog Devices, National Semiconductor e Texas Instruments, Philips, solo per citarne alcuni.

DALLA VALVOLA AGLI INTEGRATI

Le applicazioni degli amplificatori audio, nate con i trasmettitori e ricevitori per radio e televisione, si sono estese nel tempo alle applicazioni stereo ad alta fedeltà, alle autoradio, ai Personal Computer, ai videogiochi, ad apparecchiature portatili, alle applicazioni di diffusione sonora in genere. Tecnologicamente la loro realizzazione è passata, nel corso di circa quarant’anni, dalla valvola termoionica al transistor discreto, fino a giungere alla tecnologia integrata monolitica. Questa evoluzione è spiegata dal fatto che nei primi anni dell’elettronica la valvola termoionica era l’unico dispositivo attivo disponibile in grado di funzionare da amplificatore. Sebbene non siano più così diffuse, esse sono ancora oggi impiegate in alcuni ristretti ambiti in campo audio, soprattutto per merito di piccoli produttori operanti nel mercato Hi-End. Le loro dimensioni ed il loro peso, l’impiego di trasformatori necessari per adattare l’elevata impedenza del tubo termoionico alla bassa impedenza del carico pilotato (l’altoparlante), comportavano una costruzione accurata e costi di progettazione e realizzazione elevati. Gli ingombri, la relativa fragilità e la notevole potenza dissipata non rendevano gli amplificatori a valvole adatti ad un mercato ampio che al contrario necessitava di compattezza, leggerezza, affidabilità e costi contenuti. Queste considerazioni hanno spinto l’evoluzione degli amplificatori audio di potenza verso realizzazioni a componenti allo stato solido discreti prima e a circuiti integrati poi. In ogni caso, un amplificatore di potenza, sia a componenti “discreti” che in forma integrata, generalmente necessita di uno stadio preamplificatore che lo preceda mentre è in grado di pilotare direttamente un diffusore acustico con caratteristiche adeguate. Da un punto di vista elettrico l’amplificatore di potenza ed il preamplificatore presentano, infatti, caratteristiche differenti sia in termini di dinamica che in termini di impedenza di ingresso e di uscita oltre che di corrente e di potenza erogabile.

CRITERI GENERALI DI PROGETTAZIONE E DI IMPIEGO

Uno dei fattori primari che occorre definire quando si sceglie o progetta un amplificatore audio per una data applicazione, è la potenza. Maggiore è la potenza dell’amplificatore, maggiore è il livello di segnale che è possibile diffondere attraverso i diffusori. Se lo scopo dell’amplificatore è quello di consentire l’ascolto di musica in una stanza di piccole o medie dimensioni, la potenza necessaria potrebbe essere valutata nell’ordine di alcune decine di watt, al contrario se l’amplificatore deve consentire l’ascolto in spazi come una piazza o uno stadio, dove si tiene un concerto, possono essere necessari centinaia o addirittura migliaia di watt. Ovviamente, è importante, oltre ad assicurare una determinata potenza, che l’amplificatore garantisca ridotta distorsione armonica (THD) ed eventuali funzionalità di controllo oltre che una adeguata affidabilità. E’ altresì importante considerare che il buon rendimento qualitativo di un amplificatore di potenza è spesso condizionato dalla presenza di un adeguato preamplificatore che assicuri buone dinamica, elevato guadagno, corretto adattamento alla sorgente ed allo stadio di potenza, basso rumore ed eventualmente una certa caratteristica di compressione della dinamica. La progettazione del preamplificatore è, quindi, una cosa a parte ma non del tutto distinta da quella dell’amplificatore di potenza ed è delicata poiché un preamplificatore tratta deboli segnali, con guadagni elevati, motivo per cui il trasferimento del segnale, lungo il suo percorso, deve essere disturbato il meno possibile da interferenze esterne. Un piccolo disturbo che si presenti in ingresso al preamplificatore viene, infatti, amplificato enormemente, esattamente come il segnale e rimane da quel momento in poi sovrapposto ad esso. Schermature ed una attenzione particolare rivolta allo sbroglio del PCB risultano, pertanto, estremamente importanti al fine di ottenere una apparecchiatura con buone prestazioni. Ovviamente, l’amplificatore di potenza deve uscire sul corretto altoparlante poiché dovrà risultare adattato ad esso in modo da consentire il trasferimento del segnale senza sprechi di potenza. Gli amplificatori audio integrati di STMicroelectronics, cui prevalentemente faremo riferimento da questo momento in poi, spaziano da quelli di piccola potenza a quelli di elevata potenza sia in classe AB che switching in classe D ed in alcuni casi includono funzionalità che possono essere adeguati all’implementazione delle applicazioni più disparate, da quelle portatili, a quelle multimediali, di telefonia mobile, per giungere le applicazioni di media e alta potenza come accade per i sistemi home-theater. Nonostante gli amplificatori in classe D siano oggi utilizzati anche nel campo dell’Hi-Fi e dell’home theater, possiamo affermare che tra qualità ed efficienza degli amplificatori in classe AB, G e D esiste, in linea di massima, la relazione riportata in figura 1.

Figura 1: relazione esistente tra efficienza e qualità del suono nei più comuni amplificatori audio di potenza (www.st.com).

Figura 1: relazione esistente tra efficienza e qualità del suono nei più comuni amplificatori audio di potenza (www.st.com).

Quando si sceglie un amplificatore audio integrato, è necessario, prima di tutto, individuare quali siano i vincoli elettrici da rispettare e quali le prestazione da ottenere. Questo significa che occorre definire o valutare la potenza necessaria e l’alimentazione disponibile. La potenza necessaria dipende fondamentalmente dall’applicazione cui è destinato l’amplificatore mentre l’alimentazione disponibile è tipicamente legata al fatto che l’amplificatore debba essere integrato in una apparecchiatura portatile o meno. L’alimentazione che un amplificatore integrato audio può utilizzare è normalmente variabile in un determinato range Vmin-Vmax, tuttavia il valore che effettivamente si utilizza influenza fortemente la potenza ottenibile dall’amplificatore. In linea di massima, è possibile affermare che la potenza che l’amplificatore può fornire in uscita varia quadraticamente con la tensione di alimentazione. Se la potenza nominale e quindi di targa dell’integrato può apparire più che sufficiente per la nostra applicazione, è necessario considerare se le reali condizioni operative (effettiva tensione di alimentazione ed effettivo carico) corrisponderanno o meno alle condizioni nominali. Inoltre, se un amplificatore è dichiarato nel suo datasheet come adeguato a pilotare un certo carico e lo si utilizza per un carico ohmico maggiore, la potenza che riusciremo ad ottenere da esso, a parità di altre condizioni, sarà inferiore a quella dichiarata come nominale, al contrario se lo utilizziamo con un carico inferiore rispetto a quello nominale, esso fornirà maggiore potenza rispetto a quella nominale ma con il rischio di essere sovraccaricato e, quindi, di danneggiarsi o entrare in protezione. Per questo motivo, quando scegliamo un determinato amplificatore audio integrato per la realizzazione di una determinata apparecchiatura audio di potenza è necessario tenere in debita considerazione anche l’impedenza del carico che dovremo pilotare. Da questo punto di vista è sempre opportuno utilizzare, come carico, diffusori che presentino l’impedenza dichiarata all’interno del datasheet dell’integrato ed in particolare è opportuno non utilizzarlo con impedenze di carico inferiori. La classe di funzionamento di un amplificatore è un altro parametro da tenere in considerazione nella scelta, in quanto è indice dell’efficienza dello stesso e di conseguenza è legata al budget di potenza ed al dimensionamento termico del dissipatore cosa che influisce indirettamente sugli ingombri e sul peso dell’apparecchiatura. Non è un caso che la maggior parte degli amplificatori di grossa potenza siano, oggi, realizzati in classe D. Ovviamente, anche il numero di ingressi e di uscite di cui l’amplificatore dispone, il package che può, più o meno, facilitare o complicarne il montaggio su scheda, sono aspetti da tenere in considerazione. Ai parametri ora menzionati si aggiungono valutazioni funzionali quali l’integrazione di funzioni di Standby e/o Mute o di controllo digitale dello stesso amplificatore, per esempio, da parte di una MCU esterna. La reiezione dei disturbi presenti sull’alimentazione (PSRR) e la distorsione armonica (THD%) sono altri due parametri prestazionali cui occorre dare attenzione. Il fatto che l’alimentazione necessaria sia singola o duale, la possibilità di utilizzare lo stesso amplificatore sia in configurazione mono che stereo oppure in configurazione bridge mode, il fatto che esistano diversi amplificatori della stessa serie con lo stesso pin-out, possono, inoltre, essere altri aspetti che possono rendere il componente più o meno flessibile e quindi degno di essere scelto.

AMPLIFICATORI AUDIO DI POTENZA INTEGRATI IN CLASSE AB

Gli amplificatori integrati in classe  AB sono disponibili in diversi package con potenze che spaziano da pochi watt fino a circa 250 Watt.

AMPLIFICATORI AUDIO CON FUNZIONE DI MUTING

Un esempio di amplificatore audio con funzioni di muting appartenente alla serie di amplificatori audio integrati di STMicroelectronics è il TDA1905. Si tratta di un amplificatore in package powerdip (figura 2) monocanale che può essere utilizzato per applicazioni che richiedono piccola potenza come piccole radio e TV o piccole apparecchiature portatili.

Figura 2: package e pin-out dell’amplificatore audio integrato TDA1905 [1].

Figura 2: package e pin-out dell’amplificatore audio integrato TDA1905 [1].

Oltre alla potenza (5W massimo) ed alla funzione di muting, tra le caratteristiche che lo contraddistinguono, come accade alla maggior parte degli amplificatori audio di potenza integrati, vi sono l’autoprotezione contro il regime di sovratemperatura, il basso rumore e l’elevata reiezione alle variazioni di tensione di alimentazione, oltre all’ampio range di tensione di alimentazione alle quali può essere utilizzato (4V-30V). La funzione di muting può essere utilizzata in casi in cui è necessaria una temporanea inibizione del segnale audio in uscita, per esempio, per consentire l’accensione del preamplificatore oppure durante il tuning al fine di evitare effetti audio fastidiosi e, quindi, indesiderati. In figura 3 riportiamo lo schema circuitale di riferimento per il suo impiego sia con la funzione di muting (pin 4 e 5) che senza.

Figura 3: amplificatore audio TDA1905 senza impiego di muting (A) e con impiego di muting (B) [1].

Figura 3: amplificatore audio TDA1905 senza impiego di muting (A) e con impiego di muting (B) [1].

TDA2003 (10W CAR RADIO AUDIO AMPLIFIER)

Applicazioni che richiedono potenza leggermente superiore, dell’ordine di una decina di watt, possono essere implementate utilizzando integrati come il TDA2003 che ha il vantaggio di esser pin-out compatibile con altri modelli come il TDA2002. Ancora una volta, si tratta di un amplificatore che necessita di pochissimi componenti esterni caratterizzato da bassa distorsione armonica e di cross-over. L’integrazione della protezione DC ed AC contro il corto-circuito e contro il regime di sovratemperatura, lo rendono sicuro ed affidabile. E’ importante osservare che quando un amplificatore standard è in funzione, l’apertura accidentale di ground può danneggiare lo stesso amplificatore. Oggi molti amplificatori, anche di piccola potenza come il TDA2003, integrano dei diodi di protezione necessari ad evitarne il danneggiamento cosa che ne aumenta l’affidabilità. L’alimentazione utilizzabile è compresa tra 8V e 18V, cui corrispondono potenze comprese tra pochi watt ed una decina di watt, a seconda del carico impiegato. In figura 4 è riportato il package, il pin-out ed una applicazione circuitale tipica. Il package è il classico pentawatt a 5 pin comune a molto altri amplificatori della serie TDA di STMicroelectronics. In figura 5 è riportata un'applicazione dell’amplificatore audio TDA2030.

Figura 4: package, pin-out e circuito applicativo dell’amplificatore audio TDA2003 [2].

Figura 4: package, pin-out e circuito applicativo dell’amplificatore audio TDA2003 [2].

Figura 5: tipica applicazione con alimentazione duale e con alimentazione singola dell’amplificatore audio TDA2030 e relativo package e pin-out [3].

Figura 5: tipica applicazione con alimentazione duale e con alimentazione singola dell’amplificatore audio TDA2030 e relativo package e pin-out [3].

TDA2030 (14W HI-FI AUDIO AMPLIFIER)

Si tratta di un amplificatore audio monolitico in classe AB in package pentawatt capace di fornire una potenza pari a 14W(d=0.5%) con alimentazione 14V su  4Ω (una alimentazione pari a ±14V o 28V, garantisce, invece, una potenza massima pari a 12W su 4Ω e 8W su 8 Ω). La contenuta distorsione armonica e di cross-over, l’integrazione di un circuito di protezione contro i cortocircuiti e di shut-down contro i regimi di sovratemperatura, rende  il funzionamento dell’integrato sicuro ed affidabile. La tensione di alimentazione massima è pari a ±18V duale (36V singola) mentre quella minima è pari a ±6V duale (12V singola). R1 determina il guadagno e precisamente un aumento man mano che aumenta il suo valore, mentre R2 determina l’effetto opposto. R3 determina, invece, l’impedenza di ingresso mentre la resistenza R4 e la capacità C3 limitano la possibilità di oscillazioni alle alte frequenza a causa del carico induttivo. Si notano, inoltre, le necessarie capacità di disaccoppiamento e di bypass e due diodi di protezione dell’uscita contro eventuali spike. Il pin-out e l’impiego circuitale sono del tutto analoghi a quelli TDA2006 e come quest’ultimo può essere utilizzato sia in configurazione singola che bridge (figura 6). La figura 7 riporta lo schema di due amplificatori audio integrati TDA2030A in connessione bridge.

Figura 6: due Amplificatori audio integrati TDA2006 in connessione bridge [4].

Figura 6: due Amplificatori audio integrati TDA2006 in connessione bridge [4].

Figura 7: due Amplificatori audio integrati TDA2030A in connessione bridge [5].

Figura 7: due Amplificatori audio integrati TDA2030A in connessione bridge [5].

Analogo è anche il TDA2040 che presenta un range di alimentazione in grado di raggiungere 40V con potenza in uscita pari a 22 W su 4Ω con THD=0.5%. Una variante del TDA2030, del tutto simile per package e pin-out, è costituita dal TDA2030A. Le uniche sostanziali differenze sono costituite dal range di tensione di alimentazione più ampio (minima ±6V e massima ±22V) cui corrisponde una maggiore capacità di fornire potenza. Gli stessi amplificatori possono essere dotati di specifiche caratteristiche di filtro tali da realizzare dei veri e propri cross-over attivi cui collegare altoparlanti distinti cioè woofer, midrange e tweeter. Lo schema di figura 8, per esempio, mostra un cross-over attivo che impiega il TDA2030 in modo da ottenere filtri di Buttherworth del secondo ordine con frequenze di incrocio pari rispettivamente a 300Hz e 3KHz [3]. La figura 9 riporta un esempio di amplificatore integrato TEA2025 utilizzato in Bridge Mode (A) ed in Stereo Mode (B) [6].

Figura 8: amplificatori TDA2030A impiegati per realizzare un filtro crossover attivo a tre vie [5].

Figura 8: amplificatori TDA2030A impiegati per realizzare un filtro crossover attivo a tre vie [5].

Figura 9: amplificatore integrato TEA2025 utilizzato in Bridge Mode (A) ed in Stereo Mode (B) [6].

Figura 9: amplificatore integrato TEA2025 utilizzato in Bridge Mode (A) ed in Stereo Mode (B) [6].

Un amplificatore di questo tipo è utilizzabile con buone prestazioni in campo musicale. Se si vuole realizzare, con relativa semplicità, un amplificatore audio ad alta fedeltà in classe AB per l’amplificazione audio di strumenti musicali, in locali di grandezza relativamente contenuta, è possibile ricorrere agli integrati TDA3030A o TDA2040 o se si desidera un po’ di potenza in più al TDA2050, tutti disponibili in package “pentawatt“ a 5 piedini. I circuiti applicativi risultano, nelle linee generali, gli stessi, cosa che con sente di utilizzare lo stesso PCB per il montaggio di diversi amplificatori. Pochi componenti esterni ed eventualmente un preamplificatore a monte consentono di realizzare un ottimo amplificatore audio.

TEA2025 (AMPLIFICATORE AUDIO STEREO)

Tra le caratteristiche che possono essere richieste ad un amplificatore audio di potenza vi è l’integrazione di due canali. Questa caratteristica consente allo stesso integrato di essere utilizzato come canale stereo oppure come unico canale bridge senza la necessità di utilizzare un secondo amplificatore integrato per ottenere la necessaria potenza. Un esempio di amplificatore di questo tipo di STMicroelectronics, è il TEA2025 (figure 9 e 10, package PowerDip16 e SO20).

Figura 10: tipico package multiwatt caratteristico di molti amplificatori audio integrati [6].

Figura 10: tipico package multiwatt caratteristico di molti amplificatori audio integrati [6].

Il ridotto numero di componenti esterni, funzioni come protezione termica e soft-clipping, il funzionamento con tensioni di alimentazioni comprese tra 3V e 12V e il canali stereo, lo rendono adatto all’integrazione in apparecchiature audio portatili. L’impiego della configurazione bridge consente di riversare su un unico canale mono l’intera potenza ottenibile dall’amplificatore che risulta, a parità di altre condizioni, circa doppia rispetto alla potenza ottenibile dal singolo canale. Man mano che amplificatori di questo tipo salgono in potenza vengono sempre più spesso realizzati in package che consentono di applicare in maniera stabile dissipatori anche di dimensioni piuttosto consistenti. Per potenze medie, dell’ordine di alcune decine di watt, sono abbastanza comuni package multiwatt. Alcuni esempi sono il TDA7350A (22W bridge stereo car audio amplifier), il TDA7374 (amplificatore dual bridge in classe AB) e l’STA7360 (20W Bridge/Stereo audio amplifier con clipping detector utilizzabile sia in modalità stereo che bridge).

AMPLIFICATORI AUDIO DI POTENZA LOW VOLTAGE

Nelle apparecchiature portatili è necessario elevato rendimento ed alimentazione low voltage. Amplificatori integrati come il TS4990 (Vcc=2.2V- 5.5V, 1.2W@Vcc=5V, THD=1%, f=1kHz, con 8Ù di carico), caratterizzati da funzioni di stand-by (10nA), near zero pop & click, bassa distorsione, thermal and short circuit protection integrano tutto ciò che è necessario per applicazioni audio di piccola potenza in piccole dimensioni e con ottime prestazioni. In figura 11 è riportato lo schema interno semplificato del TS4990.

Figura 11 schema interno ed applicazione circuitale dell’amplificatore audio integrato low voltage TS4990 [7].

Figura 11: schema interno ed applicazione circuitale dell’amplificatore audio integrato low voltage TS4990 [7].

AMPLIFICATORI AUDIO INTEGRATI IN CLASSE D

Diversamente dalla classe A-B, gli amplificatori  di  potenza  switch-mode, in classe D, consentono di ottenere elevati valori di efficienza, ridurre la dissipazione di potenza in forma termica e quindi indirettamente le dimensioni e pesi dei dissipatori e dell’intera apparecchiatura. Anche in questo caso sono disponibili in commercio amplificatori in forma integrata che spaziano da potenze di pochi watt a potenze fino ad un paio di centinaia di watt sia stereo che mono.

TS4961 (AMPLIFICATORE AUDIO MONO IN CLASSE D)

Componenti di  questo tipo mostrano come esistano sul mercato anche amplificatori integrati in classe D low voltage di piccola potenza. Il TS4961 è alimentato a tensione compresa tra 2,4 e 4,3V, è dotato di funzioni di stand-by e  può fornire una potenza in  uscita di 1.6 W a 4.2 V su un altoparlante di 4Ω. Il guadagno può essere fissato in hardware attraverso le resistenze esterne. La corrente assorbita a 3V è di pochi mA con una efficienza dichiarata dell’88%. Dotato di protezione termica è contenuto in un package estremamente compatto QFN16, 3mmx3mm (figura 12).

Figura 12: demo board per TS4961 (si notino i pochi componenti esterni e le ridotte dimensioni del chip) [9].

Figura 12: demo board per TS4961 (si notino i pochi componenti esterni e le ridotte dimensioni del chip) [9].

TDA7498MV(100 WATT MONO BTL IN CLASSE D)

Oggi sono disponibili sul mercato anche amplificatori integrati con potenze di centinaia di watt dotati di svariate funzionalità. Quasi sempre si tratta di amplificatori in classe D o di loro varianti proprietarie degli specifici produttori. La possibilità di raggiungere potenze abbastanza elevate è legata sia all’alta efficienza della classe D sia alle tensioni che non possono essere eccessi vamente limitate e che di solito sono comprese tra 20 e 48V. Il TDA7498MV è un amplificatore mono BTL in classe D di questo tipo, adatto soprattutto alla realizzazione di sistemi home e diffusori attivi (100W, THD10% su 6ohm a 36Vcc, range di alimentazione: 14-39 V, efficienza dichiarata: 90%). Tra le funzionalità che amplificatori di questo tipo possono integrare, vi è spesso quella di guadagno selezionabile digitalmente. L’ingresso di tipo differenziale di alcuni amplificatori, come il TDA7498MV, consente di minimizzare l’effetto dei disturbi di modo comune mentre le funzioni di stand-by, mute, protezione dal corto-circuito e dal sovraccarico, consentono flessibilità ed affidabilità. Molto spesso per potenze vicine o  superiori a 100W presentano package PowerSSO con exposed pad up. Il TDA7498MV, per esempio, presenta package a 36-pin PowerSSO (figura 14) ed è dotato di exposed pad up (EPU) necessario al montaggio del dissipatore. La modalità di funzionamento in STBY (pin 20) consente di mantenere tutti i circuiti in off e di limitare fortemente l’assorbimento di corrente mentre il funzionamento MUTE (pin 21) porta gli ingressi a round, situazione in presenza della quale i segnali PWM in uscita assumono un duty-cycle del 50%. La figura 13 evidenzia come le funzioni mute e standby, opportunamente sfruttate, possano limitare gli effetti di speaker pop.

Figura 13: sequenza di accensione e spegnimento di un amplificatore dotato di mute e stand-by finalizzato alla riduzione dell’effetto di speaker pop [10].

Figura 13: sequenza di accensione e spegnimento di un amplificatore dotato di mute e stand-by finalizzato alla riduzione dell’effetto di speaker pop [10].

Figura 14: pin-out e package dell’amplificatore integrato in classe D TDA7498MV [10].

Figura 14: pin-out e package dell’amplificatore integrato in classe D TDA7498MV [10].

Il guadagno è impostabile agendo sui pin GAIN0 (pin 30) e GAIN1 (pin31). Si distinguono, inoltre, i pin OUTN (Negative PWM output for audio channel), OUTP (Positive PWM output for audio channel), INP (Positive differential input), INN (Negative differential input) ed il pin Rosc attraverso il quale è possibile impostare la frequenza dell’oscillatore che è tipicamente compresa, per questo modello, tra 290 e 330KHz. Come è tipico degli amplificatori in classe D, in uscita è necessario prevedere appositi filtri LC per la ricostruzione del segnale audio da inviare all’altoparlante. Il loro dimensionamento è abbastanza critico e dipende anche dalle specifiche caratteristiche dell’altoparlante stesso. La funzione di overvoltage protection (OVP) che consente di forzare l’uscita in alta impedenza quando la tensione di alimentazione eccede il range previsto, la funzione di undervoltage protection (UVP) che interviene in maniera analoga quando la tensione di alimentazione scende al di sotto del minimo previsto, la funzione di overcurrent protection (OCP) e quella di thermal protection (OTP), caratterizzano questo modello di amplificatore e molti altri analoghi della stessa fascia. Pin di diagnostica in uscita consentono generalmente (in questo caso si veda il pin DIAG) di segnalare l’avvenuto intervento di una protezione.

ALTRE TIPOLOGIE DI AMPLIFICATORI DI POTENZA INTEGRATI IN CLASSE D

Appare chiaro come può  essere  utile disporre di componenti che integrano, in un unico integrato, due amplificatori come il TDA7498MV prima discusso. Amplificatori di questo tipo (dual) ne esistono diversi come il TDA7498L che è l’esatto equivalente dual del TDA7498MV. Chi volesse approfondire l’argomento, può esaminare i datasheet degli amplificatori in classe D indicati ai punti [11], [12], [13] e [14] dei riferimenti bibliografici solo per limitarci a quelli della serie di STMicroelectronics. E’ invece interessante soffermarsi sul fatto che esistono in commercio anche amplificatori in classe D filter-free: è il caso del TS4999. Si tratta di un amplificatore stereo di piccola potenza (2.8 W at 5 V su 4 Ω) utile per applicazioni portatili come quelle che caratterizzano cellulari e notebook caratterizzati dal classico package flip chip 18-bump (figura 15).

Figura 15: amplificatore in classe D TS4999 (schema a blocchi e package) [15].

Figura 15: amplificatore in classe D TS4999 (schema a blocchi e package) [15].

Il pilotaggio digitale di alcuni suoi pin consente di ottenere il controllo di una serie di effetti e funzionalità. La possibilità, in particolare, di controllare digitalmente sia gli effetti audio sia il guadagno che le operazioni di standby, lo rendono facilmente interfacciabile con una logica di controllo. Il controllo interno del muting e del guadagno consente, inoltre, di operare una modalità di avvio in grado di ridurre fortemente gli effetti di pop and click. In figura 15 sono evidenziati sia la struttura a blocchi interna che il package (si notino le ridottissime dimensioni complessive - circa 3 mm) del componente.

AMPLIFICATORI IN CLASSE D CONTROLLABILI SU BUS I2C

Molti amplificatori in classe D si distinguono anche per il fatto di essere dotati di un controllo digitale su bus I2C (SCL- Clock, SDA.Data). E’ il caso dell’amplificatore TS4601 che può in questo modo operare da slave device rispetto ad una MCU esterna che ne controlla digitalmente le funzionalità (controllo delle uscite, dei volumi, della protezione e detection del corto-circuito e dello shoutdown) scrivendo negli appositi registri. Amplificatori analoghi da questo punto di vista sono il TS4956 ed il TS4975.

AMPLIFICATORI PER CUFFIE

Una certa importanza, sempre nel campo degli amplificatori audio integrati, rivestono gli amplificatori di piccola potenza per cuffia o per apparecchiature portatili capaci di offrire il miglior compromesso tra performance ed efficienza. Si tratta generalmente di amplificatori integrati monolitici in classe AB ed in classe G che possono funzionare a tensioni molto ridotte (esempio:1,8V-15V) dotati spesso di funzioni di muting e di power down con buona reiezione dei disturbi sull’alimentazione, bassi assorbimenti di corrente e bassa distorsione, disponibili spesso in package SOIC8 e adatti all’integrazione in piccole apparecchiature portatili come riproduttori audio, telefoni cordless ed apparecchi cellulari.

CONSIDERAZIONI FINALI E CONCLUSIONI

La  panoramica esposta  sugli amplificatori audio integrati dovrebbe aver reso l’idea di come oggi possa essere piuttosto agevole realizzare apparecchiature che integrino amplificatori audio di qualunque potenza, integranti diverse funzionalità e adatti a diversi campi applicativi. Nell’esposizione, al fine di rendere meno generiche le affermazioni, abbiamo voluto fare diretto riferimento agli amplificatori audio di potenza  integrati  di STMicroelectronics. Approfondimenti ulteriori possono essere fatti direttamente dal lettore e per questo motivo, nella sezione “Riferimenti bibliografici”, riportiamo la serie di datasheet principali cui abbiamo fatto riferimento. Concludiamo accennando ad alcune considerazioni di natura pratica che possono risultare particolarmente importanti nell’impiego pratico di questi componenti. La prima considerazione riguarda il fenomeno del “pop and click”. Pop and click è il nome che viene dato al rumore che appare, a volte, come uno scoppiettio sull’altoparlante quando si accende o si spegne una apparecchiatura audio. Esso è generato dalla differenza di potenziale che viene a trovarsi sullo stadio di uscita dell’amplificatore prima che si raggiunga una condizione di equilibrio. Le capacità associate agli ingressi dell’amplificatore tendono a caricarsi nel momento in cui l’amplificatore viene alimentato o a scaricarsi nel momento in cui l’amplificatore viene spento. L’effetto di ciò, è un segnale sugli stadi interni dell’amplificatore che si ripercuote amplificato in uscita. L’effetto è accentuato dal fatto che, generalmente, le due capacità presentano differenti costanti di tempo cosa da cui consegue la differenza di potenziale sulle linee di ingresso degli stadi amplificatori interni. Il particolare amplificatore e la scelta dei componenti capacitivi esterni possono aumentare o limitare il problema. Una seconda considerazione riguarda, invece, la realizzazione del PCB che ospita un amplificatore audio integrato. Il datasheet degli amplificatori integrati forniscono spesso indicazioni sul layout che mirano ad ottenere il disaccoppiamento tra il punto di massa dell’uscita e quello degli ingressi in maniera da evitare deleteri loop di massa che possano ripercuotersi sul segnale in ingresso, soprattutto, in presenza di elevate correnti di uscita. Un buon layout è importante al fine di evitare queste problematiche ed assicurare assenza di innesco di oscillazioni. A tale scopo, è opportuno realizzare collegamenti e connessioni il meno estese possibili, fare attenzione a non realizzare loop di massa, utilizzare capacità di bypass sull’alimentazione disposte il più vicino possibile ai pin di alimentazione dell’integrato. I datasheet evidenziano, inoltre, spesso considerazioni pratiche sull’opportunità di isolamento elettrico tra il package ed il dissipatore termico e suggeriscono i valori da assegnare ai componenti e segnalano gli effetti dovuti a variazioni positive o negative di questi rispetto a quelli di riferimento. Utili indicazioni, inoltre, sono solitamente fornite sul dimensionamento del dissipatore di calore. Analizzare in dettaglio il datasheet è, quindi, importante al fine di utilizzare nel miglior modo possibile l’integrato scelto per la realizzazione dell’amplificatore.

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