PENGUAT KELAS D

BAB II

PEMBAHASAN

Apa yang dimaksud dengan Penguat Audio Kelas D?

Teori Operasi

Penguat audio Kelas D pada dasarnya adalah penguat switching atau penguat PWM. Ada sejumlah kelas yang berbeda dari amplifier. Dalam hal ini jenis amplifier yang baik adalah pada kondisi switch penuh on atau sepenuhnya off, secara signifikan mengurangi kerugian daya di perangkat output. Efisiensi adalah 90-95%.

Sinyal Audio digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa PWM yang mendorong perangkat output, dengan Tahap terakhir menjadi low pass filter untuk menghilangkan frekuensi tinggi, frekuensi pembawa PWM.

Diagram blok penguat linear ditunjukkan di bawah pada gambar 1. Dalam sebuah amplifier linier sinyal selalu tetap dalam domain analog, dan output transistor bertindak sebagai regulator linear untuk memodulasi tegangan output. Hasil ini di terima dari tegangan perangkat output, yang mengurangi efisiensi.

Kelas D amplifier mengambil berbagai bentuk, beberapa dapat memiliki input digital dan beberapa dapat memiliki input analog. Di sini kita akan fokus pada jenis yang memiliki input analog.

Gambar 1 Blok Diagram dari Kelas D Amplifier

Gambar di atas menunjukkan diagram blok dasar untuk sinyal input tingkat garis audio standar penguat Setengah Bridge Kelas D, dengan sinyal gelombang. Sinyal line level audio adalah sinusoidal bentuk pada setiap tahap. Sirkuit ini menggunakan umpan balik dengan frekuensi mulai dari 20Hz sampai 20kHz dari output dari setengah jembatan untuk membantu comtypically. Sinyal ini dibandingkan dengan tinggi tasan untuk variasi tegangan bus. segitiga frekuensi atau gelombang gigi gergaji untuk membuat sinyal PWM seperti yang terlihat pada gambar 2A bawah.

Bagaimanakah kerja dari penguat Kelas D?

 penguat kelas D ini  bekerja dengan banyak tahap dan cara yang sama,yang diketahui pada dasarnya bahwa penguat kelas D ini adalah penguat switching atau penguat PWM, yang  kemudian sinyal Kelas PWM ini digunakan sebagai kekuatan untuk menggerakkan dan menciptakan sinyal digital yang diperkuat, dan sebagai power supply PWM. Mari kita mulai dengan menyaring frekuensi PWM dan audio sinyal sinusoidal (terlihat di gambar 2).

Gambar 2 Sinyal Generator dan Output Filtering

Topologi Perbandingan – Linear versus Kelas D

Dalam bagian ini kita akan membahas perbedaan antara amplifier linear (Kelas A dan Kelas AB), dan digital power amplifier Kelas D. Pada umumnya dan Perbedaan utama antara amplifier linear dan amplifier Kelas D adalah pada efisiensinya. Mencari efisiensi yang tinggi adalah alasan utama untuk penemuan amplifier Kelas D. 

Linear amplifier(penguat linier) yang secara sudah menjadi sifatnya yang sangat linier dalam hal performa, tetapi juga sangat tidak efisien sekitar 50% biasanya digunakan untuk amplifier Kelas AB, sedangkan penguat Kelas D ini jauh lebih efisien, dengan nilai efisiensi sekitar 90% dalam praktek desain. Gambar 3 di bawah ini menunjukkan kurva efisiensi khas untuk penguat linear dan penguat Kelas D.

Gambar 3 Kurva Efisiensi Kelas D

Dengan penguat Linear gain konstan akan membuat tegangan bus terlepas dari variasi, namun dengan amplifier gain dari Kelas D akan membuat tengangan sebanding dengan tegangan bus. Ini berarti bahwa penolakan rasio catu daya (PSRR) dari penguat Kelas D adalah 0 dB, sedangkan PSRR dari penguat linear sangat baik. Hal ini sering terjadi pada penguat Kelas D menggunakan umpan balik untuk mengimbangi variasi tegangan bus.

Arus Dalam penguat linier selalu berasal dari input menuju ke beban dan didalamnya terdapat satu jembatan kendali. pada amplifier Kelas D ini juga memiliki jembatan kendali, Namun penguat Kelas D berbeda. Pada penguat kelas D  menggunakan satu jembatan kendali yang dibagi menjadi 2 yang membuatnya menjadi setengah jembatan kendali, yang pada masing- masing jembatan kendali sebagai aliran energi bi-directional (dua arah), yang mengarah ke “Bus memompa” dimana  yang menyebabkan kapasitor bus yang akan disalurkan oleh aliran energi dari beban kembali ke input. Hal ini terjadi terutama pada frekuensi audio rendah yaitu di bawah 100Hz.

Analogi dengan Sinkronis Buck Converter

Sebuah analogi sederhana dapat dibuat antara amplifier Kelas D dan buck converter sinkron. Topologi dasarnya bisa dilihat di bawah ini :

Gambar 4 Topologi untuk Sinkronis Buck Converter dan amplifier Kelas D

          Perbedaan utama antara Sinkronis Buck Converter dan amplifier Kelas D ini  bahwa sinyal referensi untuk sinkron dengan buck converter adalah perubahan sinyal lambat dari rangkaian umpan balik (a tegangan tetap), di kasus penguat sinyal Kelas D referensi adalah sinyal audio yang terus menerus berubah. Ini berarti siklus relatif tetap selaras di buck converter, sedangkan tugas di penguat Kelas D yang terus berubah dengan tugas rata-rata 50%. Dalam ruang selaras konverter arus beban selalu mengarah ke arah beban, tapi dipenguat  Kelas D  ini mengalir di kedua arah.

Kerugian daya di MOSFET

Kerugian daya di switch daya sangat berbeda antara penguat linear dan penguat Kelas D. Pertama mari kita melihat kerugian dalam penguat Kelas AB. Kerugian dapat de-didenda sebagai:

PC 		1	⋅ π∫	Vcc	1− K sin ω	⋅t	Vcc	K sin ω ⋅t dω ⋅t
	2	⋅π
			0   2				2 ⋅ RL

Dimana K adalah rasio tegangan bus untuk tegangan output.

Ini kemudian dapat disederhanakan ke persamaan linear kerugian untuk beralih ke Power amplifier:

	Vcc2		2K		K 2
P  		⋅		−
tot	8π ⋅ RL		π		2

Catatan : Perhatian bahwa daya yang hilang tidak terkait dengan parameter perangkat output.                          Gambar 5 di bawah ini menunjukkan kekuatan hilangnya vs K.

Gambar 5 loss power (daya hilang)pada penguat linier kelas A-B

Sekarang mari kita melihat kerugian untuk Kelas D penguat-fier. Total kerugian daya di perangkat output untuk penguat Kelas D diberikan oleh:

P_TOTAL = Psw + Pcond + Pgd

Psw adalah kerugian switching dan diberikan oleh persamaan:

Psw = COSS . VBUS ² ⋅ fPWM + ID ⋅VDS ⋅ tf ⋅ fPWM

Pcond adalah kerugian konduksi dan diberikan oleh persamaan:

Pcond = RDS (ON) ⋅ Po RL

PGD ​​adalah kerugian gerbang drive dan diberikan oleh persamaan:

PGD ​​= 2 ⋅Qg ⋅Vgs ⋅ fPWM

Seperti yang dapat dilihat dalam penguatr Kelas D kerugian output tergantung pada parameter perangkat yang digunakan, sehingga diperlukan pengoptimalan untuk memiliki perangkat yang paling efektif, berdasarkan Qg,

RDS (on), COSS, dan tf. Gambar 6 di bawah ini menunjukkan rugi daya berbanding K untuk penguat Kelas D.

	Jembatan setengah          vs             Jembatan penuh
Tegangan suplai	0.5 x 2 inci	1
Tingkatan arus	1	2
Mostfet	2 MOSTFET/CH	4 MOSTFET/CH
Gerbang drivers	1 gerbang drivers/CH	2 gerbang drivers/CH
Linearitas		Superior (tidak ada untuk HD)
DC offset	penyesuaian yang dibutuhkan	Dapat dibatalkan
Pola PMW	2 tingkat	3 tingkat PMW dapat diterapkan
CATATAN	Efek pemompaan membutuhkan bantuan umpan balik	sesuai untuk desain loop terbuka

Mirip dengan penguat Kelas AB konvensional, penguat Kelas D dapat dikategorikan menjadi dua topologi, setengah-jembatan dan jembatan penuh konfi-jatah. Setiap topologi memiliki pro dan kontra. Secara singkat, setengah-jembatan secara potensial lebih sederhana, sementara jembatan penuh lebih baik dalam performa audio. Topologi jembatan penuh membutuhkan dua penguat setengah-jembatan, dan dengan komponen lebih. Bagaimana struktur keluaran diferensial dari topologi jembatan inheren dapat membatalkan bahkan juga urutan distorsi harmonik komponen dan DC offset, seperti dalam penguat Kelas AB. Sebuah topologi jembatan penuh memungkinkan penggunaan PWM skema modulasi yang lebih baik, seperti PWM tiga tingkat yang pada dasarnya memiliki lebih sedikit kesalahan karena kuantisasi.

Dalam topologi jembatan setengah, catu daya mungkin berasal dari energi yang dipompa kembali dari penguat, sehingga tegangan bus fluktuasi kembali ketika output penguat sinyal audio frekuensi rendah ke beban. energi kembali ke catu daya merupakan karakteristik funda-mental penguat Kelas D, Kaki beralih dalam jembatan penuh cenderung mengkonsumsi energi dari sisi kaki lain, sehingga tidak ada energi yang dipompa kembali ke catu daya. Pada Tabel 1 menunjukkan ringkasan dari perbandingan.

Gambar 6 Penyebab utama dari Ketidaksempurnaan dan Degradasi

Penguat  Kelas D memiliki tahap penguatan yang ideal tidak memiliki distorsi dan tidak ada generasi kebisingan terdengar di band (pita), bersamaan dengan itu dapat memberikan hasil efisiensi 100%. Namun, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7, amplifier Kelas D praktis memiliki ketidaksempurnaan yang menghasilkan distorsi dan kebisingan. Ketidaksempurnaan yang disebabkan oleh gelombang akan beralih terdistorsi yang dihasilkan oleh tahap penguat Kelas D. Penyebabnya adalah:

1. Dikarenakan Non-linear dalam sinyal PWM dari modulator untuk beralih tahap karena resolusi terbatas atau waktu

2. kesalahan Timing ditambahkan oleh driver gerbang, seperti waktu-mati.

3. karakteristik yang tidak diinginkan di perangkat switching, seperti terbatas ON kembali atau kecepatan switching terbatas.

4. komponen parasit yang menyebabkan berdering di tepi sementara

5. Power supply fluktuasi tegangan karena impedansi keluaran yang terbatas dan daya reaksi yang-tive mengalir melalui bus DC

6. Non-linearitas dalam output LPF.

Secara umum, pada saat waktu salah beralih di gerbang sinyal adalah penyebab utama dari non-linear. Waktu kesalahan dikarenakan khususnya waktu-mati  yang memiliki kontribusi paling signifikan dari non-linear dalam tahap penguat Kelas D. Sejumlah kecil waktu-mati dalam puluhan detik pernano dapat dengan mudah menghasilkan lebih dari 1% THD (Total Harmonic Distortion). Waktu beralih yang akurat selalu menjadi perhatian utama. Mari kita lihat bagaimana mati-waktu (dead time) mempengaruhi non-linear.

Gambar 7 THD dan Mati-waktu

Modus operasi dalam tingkat keluaran penguat Kelas D dapat dikategorikan ke dalam tiga wilayah yang berbeda berdasarkan pada bagaimana gelombang keluaran berikut pada saat waktu diinput. Dalam tiga wilayah operasi yang berbeda, gelombang keluaran berikut berbeda bagian yang di sisi tinggi dan sinyal masukan sisi rendah.

Mari kita lihat bagian operasi pertama di mana arus keluaran mengalir dari tahap penguat Kelas D untuk beban, ketika jumlah arus yang lebih besar dari riak arus induktor. Pada saat sisi tinggi turn-off dan sebelum sisi rendah turn-on, output didorong ke negatif yang pada tipe DC bus. Tindakan ini secara otomatis disebabkan oleh arus pergantian dari induktor demodulasi, terlepas dari sisi rendah turn-on waktu. Oleh karena itu saat di output bentuk gelombang tidak dipengaruhi oleh waktu-mati (dead time) tetapi akan dimasukkan ke turn-on tepi sisi rendah, dan selalu mengikuti input waktu sisi yang tinggi. Akibatnya, gelombang PWM yang dipersingkat hanya oleh waktu mati (dead time) dimasukkan ke sisi yang tinggi menuju gerbang sinyal, sehingga gain tegangan sedikit lebih rendah seperti yang diharapkan dari masukan siklus.

            Situasi yang sama terjadi pada bagian negatif penguat dimana arus keluaran mengalir dari beban ke tahap penguat Kelas D. Jumlah arus lebih besar dari riak arus induktor. Dalam hal ini, waktu gelombang keluaran tidak dipengaruhi oleh waktu-mati dimasukkan ke tepi turn-on dari sisi yang tinggi, dan selalu mengikuti waktu input sisi rendah. Akibatnya, gelombang PWM yang dipersingkat hanya oleh waktu mati (dead time) dimasukkan ke dalam sinyal sisi gerbang rendah.

Ada bagian antara dua mode operasi yang telah dijelaskan sebelumnya di mana output dapat bebas dari dead time (waktu mati). arus keluaran lebih kecil dari riak arus induktor, ini dikarenakan waktu output dari tepi turn-off setiap masukan di wilayah ini dioperasikan oleh  ZVS (Zero Voltage Switching). Oleh karena itu, tidak ada distorsi di wilayah tengah ini.

Sebagai arus keluaran bervariasi sesuai dengan sinyal input audio, tahap Kelas D mengubah daerah operasi, yang masing-masing memiliki sedikit keuntungan yang berbeda. Gelombang keluaran akan dis-torted oleh tiga daerah keuntungan yang berbeda dalam siklus sinyal audio.

Gambar. 8 menunjukkan bagaimana secara signifikan waktu mati mempengaruhi kinerja THD. Sebuah THD dapat 40Ns (nano second) waktu mati dari CRE umpan sebesar 2%.kinerjai dapat ditingkatkan menjadi 0,2% dengan memaksimalkan waktu mati ke 15nS. Hal tersebut dapat menyela sisi yang tinggi mulus dan beralih sisi rendah linearitas yang lebih baik.

Pengukuran Kinerja Audio

Peralatan pengukuran audio dengan dinding saringan AES17 bata, seperti Audio Presisi AP2, diperlukan. Namun pada audio classic analyzer (Analisa audio klasik) seperti HP8903B dapat digunakan dengan waktu yang tepat low pass filter diterapkan. Pertimbangan penting di sini adalah bahwa sinyal output dari penguat Kelas D masih mengandung sejumlah substansial beralih frekuensi pembawa pada gelombang, yang menyebabkan salah dalam pembacaan, dan analisa ini mungkin tidak cukup kebal dan tahan terhadap kebocoran pembawa dari penguat Kelas D. Gambar. 9 menunjukkan contoh filter.

Gambar 8 Power Supply Pumping

Namun,pada saat  waktu mati (dead time) terbatas bisa sangat berisiko dalam produksi massal. Karena apabila dihidupkan baik dari sisi tinggi dan rendah MOSFET secara bersamaan, tegangan bus DC akan terhubung singkat oleh MOSFET. Sejumlah besar menembak-melalui arus mulai mengalir, yang akan menghasilkan kerusakan perangkat. Perlu diperhatikan bahwa efektif waktu mati (dead time) bisa bervariasi dari unit ke variasi unit nilai komponen dan mati tempera-mendatang nya. Gambar. 10 menunjukkan hubungan antara panjang waktu mati dan jumlah muatan tembak.

 Hal ini sangat penting untuk desain yang handal dari amplifier Kelas D untuk memastikan bahwa mati-waktu selalu positif dan tidak pernah negatif untuk mencegah MOSFET dari en-Tering menembak melalui kondisi. Penyebab ditandai lain degradasi di penguat Kelas D  adalah bus memompa, yang dapat dilihat ketika topologi setengah jembatan power pada output frekuensi rendah ke beban.

Selalu diingat bahwa gain dari tahap penguat Kelas D berbanding lurus dengan tegangan bus. selanjutnya, fluktuasi bus menciptakan distorsi. Karena energi yang mengalir dalam tahap peralihan penguat Kelas D adalah bi-directional (Dua arah), ada periode di mana penguat Kelas D umpan energi tetapi selalu kembali ke catu daya. Sebagian besar dari aliran energi kembali ke pasokan (input) adalah dari energi yang tersimpan dalam induktor di LPF output. Biasanya,power supply tidak memiliki cara untuk menyerap energi kembali dari beban. Akibatnya tegangan bus dipompa, dan menciptakan fluktuasi tegangan bus. pemompaan bus tidak terjadi di jembatan penuh karena energi ditolak kembali ke catu daya dari satu sisi kaki switching.

Gambar 9 Pertimbangan EMI

EMI (Electro-Magnetic Interference) dalam desain penguat Kelas D  sangat  seperti dalam aplikasi switching. Salah satu sumber utama dari EMI berasal dari pemulihan daya dari tubuh dioda MOSFET mengalir dari rel atas dan menuju ke bawah. Selama waktu mati (dead time) dimasukkan untuk mencegah menembak melalui saat ini, arus induktor dalam output LPF ternyata pada dioda tubuh. Pada tahap berikutnya ketika sisi lain dari MOSFET mulai menyala (ON) pada akhir waktu mati(dead time), dioda tubuh tetap dalam keadaan pelaksanaannya kecuali disimpan di golongan kecil pembawa sepenuhnya akan habis. Oleh karena itu, tata letak PCB sangat penting untuk kedua kekasaran dari desain dan dari pertimbangan EMI.

BAB III

PENUTUP

3.1 KESIMPULAN

          Penguat audio Kelas D pada dasarnya adalah penguat switching atau penguat PWM. Dalam hal ini jenis penguat switch yang baik adalah sepenuhnya on atau sepenuhnya off, secara signifikan mengurangi kerugian daya di perangkat output

          Kelas D penguat ini jauh lebih efisien, dengan nilai-nilai dalam urutan 90% dalam praktek desain. Gambar 3 di bawah ini menunjukkan kurva efisiensi khas untuk linear dan Kelas D amplifier.

            Aliran energi arus dalam penguat linier selalu dari pasokan ke beban, dan dalam Kendali jembatan Kelas D amplifier ini juga benar. Setengah jembatan Namun penguat Kelas D berbeda, sebagai aliran energi dapat bi-directional, yang mengarah ke “Bus memompa” fenomena, yang menyebabkan kapasitor bus yang akan dikenakan oleh aliran energi dari beban kembali ke memasok. Hal ini terjadi terutama pada frekuensi audio rendah yaitu di bawah 100Hz.

keinginan Inovasi konstan dalam meningkatkan teknologi semikonduktor dikarenakan mencari penguat yang dapat membuat perbaikan dalam hal efisiensi agar lebih tinggi, dapat meningkatkan densitas daya dan performa audio yang lebih baik.

3.2 SARAN

          Menyadari bahwa kami masih jauh dari kata sempurna, kedepannya kami akan lebih fokus dan details dalam menjelaskan tentang makalah di atas dengan sumber-sumber yang lebih banyak yang tentunya dapat di pertanggung jawabkan.

3.3 REFERENSI

           

http://www.irf.com/ Data and specifications subject to change without notice.