Ciao a tutti, sono Riccardo.
Ho scritto MP a Pier per proporgli di migliorare il gran lavoro che lui ha fatto sul ClasseD, e lui mi ha suggerito di fare un post, perchè al momento ha parecchie cose già in ballo.
Io anni fa avevo iniziato a realizzare un progetto simile, ma poi mi ero fermato per problemi di PCB (con i miei sitemi: monofaccia, stira-ammira non sarei mai riuscito). Ma oggi abbiamo EasyEDA e JLCPCB !!! E poi la quarantena mi ha ridato modo di rispolverare il mio vecchio lab... Quindi mi sono proposto di collaborare con Pier per produrre / suggerire migliorìe al progetto Ampli Classe D.
Ed ecco un mio primo post in merito.
Gli argomenti che mi pare valga la pena di affrontare:
- Circuito generatore PWM
- Introduzione di un feedback come retroazione per migliorare la distorsione (ipotizzato ma non ancora elaborato)
- Introduzione diodi fast recovery di protezione e condensatori extra per riduzione disturbi
- Scelta Mosfet
- Mezzo Ponte a E vs. Ponte Intero ad H ?
- Circuito Mute/Soft start/Antibump/Protezione (ipotizzato ma non ancora elaborato)
- Overcurrent protection
- Ottimizzazione layout PCB, larghezza piste, piani di massa, AudioGND & PowerGND separate, ecc... (già fatta parecchia esperienza)
Ora mi studio come si allegano le immagini nel form e inizio il primo post.
Amplificatore Classe D v2 implementazioni
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Elettrorik
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Amplificatore Classe D v2 implementazioni
Ultima modifica di Elettrorik il mar 19 mag 2020, 17:45, modificato 2 volte in totale.
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Elettrorik
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Re: Amplificatore Classe D v2 implementazioni
Iniziamo col primo passo:
Il 555 va bene ma l'output al pin 3 è una quadra (nel 1° video era sbagliato, mandavi proprio quel segnale al comparatore)
Sei però costretto a prelevare ta tensione di carica/scarica del condensatore del 555 che è a denti 'stondati', con la conseguenza che quando sei vicino a max/min di modulazione (riga rossa e riga blu) potrebbe perdere in precisione, perchè la soglia è quasi tangente alla curva campione:
Per questo l'ideale sarebbe mettere un ompamp in config integratore collegato all'uscita pin3 del 555, così da generare una vera forma triangolare.
Ma attenzione che serve un opamp veloce, altrimenti non riesce a integrare bene a quelle frequenze (120-150Khz).
A proposito di frequenze, dalle mie esperienze ho visto che 200kHz di switching sono anche troppi.. Visto che più bassi si sta meno rogne abbiamo a pilotare i mosfet, il range 120k-150k mi pare un buon compromesso, in cui il filtro d'uscita LC riesce ad eliminare discretamente bene anche i 22kHz
Un buon opamp veloce e abbastanza economico (un paio di Euro) è LM6172, che ha 160Mhz GBW e Slew rate da 3000V/us.
Inoltre in un DIP8 ce ne stanno due:
Anche lo stadio comparatore, se utilizza un opamp veloce ne potrebbe beneficiare per avere una PWM bella pulita e precisa.
Si potrebbe quindi usare una metà opamp come integratore e l'altra come comparatore. Poi però ci servirà un terzo opamp per amplificare il segnale d'ingresso (tipicamente gli ampli partono da c.a. 1/1,5 vpp in ingresso per ottenere la max out.
A questo punto, tagliamo la testa al 'topo' e vediamo sepossiamo adottare solo due ic LM6172:
Rubando da:
http://www.elemania.altervista.org/form ... tria3.html
l'oscillatore diventa quindi l'unione di un trigger di schmitt pilotato dall'integratore, in pratica un generatore di onda triangolare simmetrica.
Il secondo IC LM6172 da noi adottato lo useremo per il comparatore e l'ampli d'ingresso.
Poca spesa, tanta resa, diciamo a Genova. Con 2 IC abbiamo la sezione pilota completa.
Ecco come diventa il circuito del gen triangolare che, già che ci siamo, sempifichiamo per farlo lavorare ad alimentazione singola (qui uno spunto per divagazione: parlare in generale del disaccoppiamento in CC per ottenere alimentazioni singole invece che duali con gli Opamp). Più avanti vediamo perchè può essere conveniente usare alimentazione singola invece che duale.
E qui sfruttiamo la (non eccelsa) capacità di simulazione di easyEDA piazzando due sonde (evidenziate in giallo), una sull'uscita del trigget di shmitt e l'altra all'uscita dell'integratore, dopo aver duplicato l'oggetto OPAMP di default ed averlo modificato nei parametri più salienti BW 160MHz e SlewRate 3000V/us:
Ecco la blu-quadra, e la gialla-triangolare, bella, ampia e 'appuntita' proprio come ci serve.
Ora deve andare in pasto a un comparatore la cui soglia, di default, deve posizionarsi esattamente al centro della triangolare ovvero a VCC/2.
Per farlo disaccoppiamo in CC l'opamp creando un riferimento a VCC/2 attraverso un partitore resitivo R8 & R9, ulteriormente ripartito dal trimmer R19:
Ok ora abbiamo una tensione Vref piazzata a circa (trimmer) 1/2 VCC. Con questi valori è possibile spaziare molto (R19 'pesa' molto di più di R8&R9, perchè potresti voler usare questo circuito come generatore PWM. Se lo scopo è un Ampli audio in Classe-D , R19 potrebbe anche essere eliminato o ridotto a 4,7k portando R8&R9 a 100k. C6 serve per 'fissare' il riferimento VREF a 1/2VCC senza ripple o oscillazioni.
Ecco il risultato della simulazione con R19 centrato al 50%:
Con R19 al 20% ...
e all' 80%:
Infine lo stadio di ingresso audio, un classico non invertente disaccoppiato per usare singola alimentazione:
Anche qui il concetto è avere una 'massa virtuale' in AC e uno 'zero' posizionato a 1/2VCC in DC. Lo ottengo con R12&R13 + C5.
C8 server per 'lasciare a casa' l'eventuale componente in CC del segnale audio, col vantaggio chetutto sarà automaticamente centrato su 1/2 VCC, rendendo superflua la taratura dello zero al 50% di modulazione PWM.
E qui ecco spiegato uno dei perchè della scelta di alimentazione singola invece che duale. L'altro vantaggio è dato dal fatto che sarebbe meglio separare totalmente lo stadio driver da quello di potenza Ponte H dei mosfet, proprio usando due diversi circuiti di alimentazione, al fine di evitare che gli 'scossoni' dello stadio di potenza creino impatto su quello di pilotaggio.
Alla fine, uniamo il tutto:
... e simuliamo mettendo in ingresso una sinusoidale da 5kHz 1Vpp volutamente 'scentrata' verso l'alto con un offset DC di +1v.
Come si vede il ns. circuito se ne frega e prende solo la parte AC, infatti Vaudio è 6Vpp perfettamente centrata a 6V (VCC=12V).
Il 555 va bene ma l'output al pin 3 è una quadra (nel 1° video era sbagliato, mandavi proprio quel segnale al comparatore)
Sei però costretto a prelevare ta tensione di carica/scarica del condensatore del 555 che è a denti 'stondati', con la conseguenza che quando sei vicino a max/min di modulazione (riga rossa e riga blu) potrebbe perdere in precisione, perchè la soglia è quasi tangente alla curva campione:
Per questo l'ideale sarebbe mettere un ompamp in config integratore collegato all'uscita pin3 del 555, così da generare una vera forma triangolare.
Ma attenzione che serve un opamp veloce, altrimenti non riesce a integrare bene a quelle frequenze (120-150Khz).
A proposito di frequenze, dalle mie esperienze ho visto che 200kHz di switching sono anche troppi.. Visto che più bassi si sta meno rogne abbiamo a pilotare i mosfet, il range 120k-150k mi pare un buon compromesso, in cui il filtro d'uscita LC riesce ad eliminare discretamente bene anche i 22kHz
Un buon opamp veloce e abbastanza economico (un paio di Euro) è LM6172, che ha 160Mhz GBW e Slew rate da 3000V/us.
Divagazione: Cosa sono GBW e SLEW RATE ?
GBW = Bandwidth = larghezza di banda: é il prototto fra il guadagno e la larghezza di banda. Più è alto, più è veloce l'IC.
Vedere: https://it.wikipedia.org/wiki/File:Gain ... roduct.svg
Slew Rate= Velocità: quanto ripidi riescono ad essere i fronti di salita e discesa in risposta ad impulsi (ad es. come comparatore)
Vedi: https://it.wikipedia.org/wiki/Velocit%C3%A0_di_risposta
Inoltre in un DIP8 ce ne stanno due:
Anche lo stadio comparatore, se utilizza un opamp veloce ne potrebbe beneficiare per avere una PWM bella pulita e precisa.
Si potrebbe quindi usare una metà opamp come integratore e l'altra come comparatore. Poi però ci servirà un terzo opamp per amplificare il segnale d'ingresso (tipicamente gli ampli partono da c.a. 1/1,5 vpp in ingresso per ottenere la max out.
A questo punto, tagliamo la testa al 'topo' e vediamo sepossiamo adottare solo due ic LM6172:
Rubando da:
http://www.elemania.altervista.org/form ... tria3.html
l'oscillatore diventa quindi l'unione di un trigger di schmitt pilotato dall'integratore, in pratica un generatore di onda triangolare simmetrica.
Il secondo IC LM6172 da noi adottato lo useremo per il comparatore e l'ampli d'ingresso.
Poca spesa, tanta resa, diciamo a Genova. Con 2 IC abbiamo la sezione pilota completa.
Ecco come diventa il circuito del gen triangolare che, già che ci siamo, sempifichiamo per farlo lavorare ad alimentazione singola (qui uno spunto per divagazione: parlare in generale del disaccoppiamento in CC per ottenere alimentazioni singole invece che duali con gli Opamp). Più avanti vediamo perchè può essere conveniente usare alimentazione singola invece che duale.
E qui sfruttiamo la (non eccelsa) capacità di simulazione di easyEDA piazzando due sonde (evidenziate in giallo), una sull'uscita del trigget di shmitt e l'altra all'uscita dell'integratore, dopo aver duplicato l'oggetto OPAMP di default ed averlo modificato nei parametri più salienti BW 160MHz e SlewRate 3000V/us:
Ecco la blu-quadra, e la gialla-triangolare, bella, ampia e 'appuntita' proprio come ci serve.
Ora deve andare in pasto a un comparatore la cui soglia, di default, deve posizionarsi esattamente al centro della triangolare ovvero a VCC/2.
Per farlo disaccoppiamo in CC l'opamp creando un riferimento a VCC/2 attraverso un partitore resitivo R8 & R9, ulteriormente ripartito dal trimmer R19:
Ok ora abbiamo una tensione Vref piazzata a circa (trimmer) 1/2 VCC. Con questi valori è possibile spaziare molto (R19 'pesa' molto di più di R8&R9, perchè potresti voler usare questo circuito come generatore PWM. Se lo scopo è un Ampli audio in Classe-D , R19 potrebbe anche essere eliminato o ridotto a 4,7k portando R8&R9 a 100k. C6 serve per 'fissare' il riferimento VREF a 1/2VCC senza ripple o oscillazioni.
Ecco il risultato della simulazione con R19 centrato al 50%:
Con R19 al 20% ...
e all' 80%:
Infine lo stadio di ingresso audio, un classico non invertente disaccoppiato per usare singola alimentazione:
Anche qui il concetto è avere una 'massa virtuale' in AC e uno 'zero' posizionato a 1/2VCC in DC. Lo ottengo con R12&R13 + C5.
C8 server per 'lasciare a casa' l'eventuale componente in CC del segnale audio, col vantaggio chetutto sarà automaticamente centrato su 1/2 VCC, rendendo superflua la taratura dello zero al 50% di modulazione PWM.
E qui ecco spiegato uno dei perchè della scelta di alimentazione singola invece che duale. L'altro vantaggio è dato dal fatto che sarebbe meglio separare totalmente lo stadio driver da quello di potenza Ponte H dei mosfet, proprio usando due diversi circuiti di alimentazione, al fine di evitare che gli 'scossoni' dello stadio di potenza creino impatto su quello di pilotaggio.
Alla fine, uniamo il tutto:
... e simuliamo mettendo in ingresso una sinusoidale da 5kHz 1Vpp volutamente 'scentrata' verso l'alto con un offset DC di +1v.
Come si vede il ns. circuito se ne frega e prende solo la parte AC, infatti Vaudio è 6Vpp perfettamente centrata a 6V (VCC=12V).
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Pier Aisa
- Amministratore
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- Iscritto il: ven 16 mar 2018, 9:43
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Re: Amplificatore Classe D v2 implementazioni
Grazie Riccardo, apprezzo moltissimo il tuo post e le tue proposte di modifiche assolutamente interessanti. Purtroppo al momento sono inguaiato con MicroPierino32 e diverse riparazioni open ... vedi alim PS4 ....
Ciao
Pier
Ciao
Pier
Re: Amplificatore Classe D v2 implementazioni
sto seguendo questi classe d da un po e secondo me è molto interessante la configurazione di mr kartino
https://www.elcircuit.com/2020/05/diy-c ... w-rms.html
https://www.elcircuit.com/2020/05/diy-c ... w-rms.html
Re: Amplificatore Classe D v2 implementazioni
si potrebbe fare qualche upgrade a questo schema
il full bridge mi sembra la configurazione piu redditizia
come interuttori di potenza sono rimasto colpito dai gan fet
https://www.youtube.com/watch?v=K-bX2LqRqZQ
il full bridge mi sembra la configurazione piu redditizia
come interuttori di potenza sono rimasto colpito dai gan fet
https://www.youtube.com/watch?v=K-bX2LqRqZQ