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Stabilità, sensibilità e abbattimento delle distorsioni in un amplificatore audio in classe AB

Informazioni tesi

  Autore: Donatello Baron
  Tipo: Tesi di Laurea
  Anno: 2007-08
  Università: Università degli Studi di Padova
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Elettronica
  Relatore: Leopoldo Rossetto
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 241

Il lavoro presentato in questa sede riguarda pricipalmente uno studio accurato delle sensibilità parametriche associate ad alcuni elementi fortemente non lineari di un tipico amplificatore audio in classe AB, le considerazioni sul ruolo dei parametri correlati alle distorsioni e alcune applicazioni basate sulla tecnica NDFL (nested differentiating feedback loops, anelli nidificati a feedback derivativo) allo scopo di abbattere le distorsioni senza influire sulla funzione di trasferimento tensione di ingresso - tensione al carico e senza comportare un costo troppo elevato di elementi circuitali aggiuntivi.
Nel primo capitolo vengono enunciati alcune considerazioni preliminari e i metodi matematici adottati per lo studio delle sensibilità parametriche. Viene presentata la topologia classica di un amplificatore audio in classe AB, presa poi di riferimento per tutta la trattazione. Si pongono alcune ipotesi di lavoro e si ricavano i modelli lineari dei componenti attivi e dei vari stadi di interesse. Agli elementi del modello al piccolo segnale complessivo si associano gli ordini di grandezza che si possono ritenere tipici, indispensabili per individuare lecite approssimazioni in tutti i calcoli. Nel caso in esame ciò viene ottenuto servendosi dei risultati forniti dalla simulazione Spice di un amplificatore reale basato sull’architettura considerata. Tali ordini di grandezza si rivelano in perfetto accordo con gli ordini di grandezze considerati nell’articolo di riferimento: E.M. Cherry, “Feedback, Sensitivity and Stability of Audio Power Amplifiers”, Journal of Audio Engineering Society, vol.30 No. 5, pp. 282-294, Maggio 1982. Sempre nel primo capitolo si modella il carico dell’amplificatore, ovvero un altoparlante in aria libera, estraendo le condizioni sotto cui esso può essere considerato come una resistenza, oppure una serie di una resistenza con una induttanza con presente, o meno, un picco di “risonanza” in bassa frequenza.
Viene studiata la stabilità dell’amplificatore nelle tre situazioni di carico, sia in modo analitico, sia in modo grafico, mediante l’uso del simulatore Spice e del modello lineare del circuito. Vengono ricavate delle condizioni necessarie alla stabilità sui valori delle grandezze del sistema, ampiamente verificate per il tipo di amplificatore trattato. La funzione di trasferimento di interesse, ovvero tensione al carico su tensione di ingresso, viene ricavata per via analitica e approssimata a una funzione a polo dominante.
Nel secondo capitolo si affronta per via analitica lo studio delle sensibilità parametriche sul sistema di partenza.
Successivamente si individua una prima variante che prevede lo spostamento verso l’uscita del punto di prelievo di feedback dell’anello interno. Questa soluzione, che per certi aspetti ricorda la tecnica NDFL, comportà già un apprezzabile riduzione delle distorsioni in uscita.
Nel terzo capitolo si appplica la tecnica NDFL, con attenzione alle caratteristiche del circuito. Il blocco integrativo previsto da tale tecnica, non può essere di fatto implementato direttamente e viene realizzato mediante un circuito attivo con uno zero: il comportamento è dunque integrativo solo in bassa frequenza. Lo zero, non svincolabile al guadagno di Bode dell’integratore, viene compensato mediante un particolare filtro passivo a monte del carico dell’amplificatore.
La sintesi del filtro è però possibile in modo esatto e noto solo nelle ipotesi di carico ohmico e ohmico-induttivo. Nel caso di altoparlante reale si introduce il metodo di lavoro, si tenta di individuare il filtro, ma il problema si rivela presto per nulla banale e di una complessità che esula dallo scopo della trattazione.
Si lavora dunque ipotizzando l’esistenza di tale filtro, asserendo che comunque una soluzione almeno approssimata del problema esiste. Nel quarto capitolo si individuano delle ottimizzazioni dei risultati, proponendo due soluzioni topologicamente semplificate e rispetto a quanto ottenuto nel capitolo precendente. Tali soluzioni prevedono entrambe la rimozione del filtraggio in uscita. In un caso si introduce una compensazione in frequenza della rete di feedback intermedia, nell’altro caso si modifica il blocco integrativo previsto dalla tecnica NDFL.
Oltre alle conclusioni vengono indicati spunti di eventuale affinamento del lavoro svolto, in particolar modo viene focalizzata l’attenzione su ipotesi di lavoro che possono essere rilassate, comportando un riesame dei circuiti soprattutto nei confronti della stabilità in frequenza.

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1 SOMMARIO La classica topologia di un amplificatore audio in classe AB prevede uno stadio differenziale in ingresso, un secondo stadio ad emettitore comune con resistore di emettitore non bypassato in frequenza, un terzo stadio a collettore comune in di tipo push-pull. Per questi tipi di circuiti, una analisi accurata di sensibilità alle variazioni parametriche non è attendibile se ci si basa sull’ipotesi di linearità dei parametri, principalmente perché in questi circuiti i problemi di natura termica sono importanti e implicano fluttuazioni dei punti di riposo dei componenti a semiconduttore, nonchè dei valori effettivi dei componenti passivi. L’analisi di sensibilità condotta sui parametri fortemente non lineari e difficilmente controllabili (ad esempio i guadagni di corrente e le transconduttanze dei transistor) e quelli non costanti rispetto al tempo e alla temperatura, ha lo scopo di evidenziare il peso della singola causa sulla distorsione in uscita e suggerisce come i parametri possono essere allocati per ridurre al minimo le distorsioni ad essi associate. Inoltre, permette di evidenziare i limiti oltre cui non si può abbattere la distorsione se non introducendo delle modifiche topologiche. A tal fine, in questa trattazione si evidenzierà principalmente l’utilità di una particolare tecnica che prevede l’introduzione di cicli di feedback nidificati e le modifiche applicabili sui feedback, con attenzione ai problemi connessi di stabilità e al costo delle soluzioni in termini di componenti aggiunti. L’ipotesi che solitamente si adotta è di porre come carico dell’amplificatore una resistenza pura, mentre in questa sede si confronteranno i risultati ottenuti su un carico puramente ohmico e su un altoparlante reale, osservando come questo sia, sotto determinate ipotesi, riconducibile a una serie di un induttore con un resistore. Si tratteranno inoltre i problemi relativi alla stabilità nelle suddette condizioni di carico. Tutta la presente trattazione verrà inoltre messa in relazione con le ipotesi, i calcoli e i risultati consultabili sugli articoli: [1] E.M. Cherry, “Feedback, Sensitivity and Stability of Audio Power Amplifiers”, Journal of Audio Engineering Society, vol.30 No. 5, pp. 282-294, Maggio 1982. [2] E.M. Cherry, “Nested Differentiating Feedback Loops in Simple Audio Power Amplifiers”, Journal of Audio Engineering Society, vol.30 No.5, pp. 295-305, Maggio 1982. I risultati ottenuti proporranno degli spunti per ulteriori approfondimenti del problema (rimuovendo determinate ipotesi di lavoro), permetteranno di intuire anche fino a che punto ci si può spingere all’abbattimento delle distorsioni in sistemi basati su questo tipo di architettura.

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