Amplificatori in classe D - 5

 Classe D "senza filtro"

Uno dei principali svantaggi dei tradizionali amplificatori in classe D è stata la necessità di utilizzare un filtro LC esterno. Questa necessità non solo aumenta il costo e i requisiti di spazio, ma introduce anche la possibilità di ulteriori distorsioni a causa delle componenti non lineari del filtro. Fortunatamente, molti moderni amplificatori in classe D utilizzano avanzati schemi di modulazione  senza filtro o "filterless" per eliminare, o almeno ridurre al minimo, i requisiti del filtro esterno. La figura 7 mostra un diagramma funzionale semplificato di un amplificatore in classe D senza filtro ( vedi MAX9700). 

Figure 7. - schema funzionale semplificato di un classe D filterless.

A differenza degli amplificatori tradizionali a modulazione PWM e configurazione BTL, nello schema di figura 7 ogni semi ponte ha il suo comparatore dedicato, che permette ad ogni uscita di essere controllata indipendentemente. Il modulatore è pilotato con un segnale audio differenziale e da un segnale a dente di sega ad alta frequenza . Quando entrambe le uscite dei comparatori sono bassi, le due uscite OUT+  e OUT - sono alte e valgono VDD. Allo stesso tempo, l'uscita della porta NOR va alta, essendo i suoi ingressi entrambi bassi, ma è ritardata da parte del circuito RC formato da RON e CON. Quando l'uscita ritardata della NOR ( tensione ai capi di CON supera una determinata soglia, gli interruttori SW1 e SW2 si chiudono. Questo provoca che i nodi OUT+ e OUT- vanno al valore di GDN  e resteranno cosi fino all'inizio del prossimo periodo di campionamento. Questo schema forza entrambe le uscite ad essere nello stato ON per un minimo tempo (tON (MIN)), che è definito dai valori di RON e CON. Come illustrato nella figura 8, con un ingresso nullo, le uscite sono in fase tra loro con gli impulsi di larghezza pari a tON(MIN). 

Figure 8 - segnali di ingresso ed uscita per un classe D filterless.

Quando il segnale audio ingresso aumenta o decresce, uno dei due comparatori commuta prima dell'altro. Questo comportamento assieme al tempo minimo circuitale, porta una uscita con una larghezza di impulso variata mentre la larghezza dell'impulso dell'altra uscita rimane a tON(MIN). Questo significa che il valore medio di ogni uscita contiene una versione rettificata a semi onda del segnale audio in uscita.. Prendendo la differenza tra i valori medi delle uscite si ottiene l'uscita audio completa.  
Piuttosto che dipendere da un filtro esterno LC per estrarre il segnale audio dalla uscita, gli amplificatori in classe D senza filtro contano sulla induttanza interna dell'altoparlante e sulla risposta in frequenza dell'orecchio umano per recuperare il segnale audio. La resistenza (RE) e di induttanza (LE) dell'altoparlante formano un filtro passa basso che ha una frequenza di taglio pari a: 

Con la maggior parte degli altoparlanti questo filtro  del primo ordine è sufficiente per recuperare il segnale audio ed evitare che un'eccessiva quantità di energia di commutazione ad alta frequenza venga dissipata nella resistenza dell'altoparlante. Anche se il passaggio di energia residua nell'altoparlante prova un movimento, queste frequenze sono impercettibile per l'orecchio umano e non pregiudicherà l' ascolto. Quando si utilizza un amplificatore in classe D senza filtro, l'altoparlante dovrebbe essere induttivo alla frequenza di commutazione dell'amplificatore per ottenere la massima capacita di potenza in uscita.