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Amplificadores Tipo D Jefferson Ermel Granizo Tapia 961 Escuela Superior Politécnica de Chimborazo Facultad de Informática y Electrónica, Escuela de Ingeniería Electrónica Control y Redes Industriales Riobamba - Ecuador 

Abstract—This document focuses on the operation and characterization of a Class D amplifier, its parts and its wave characteristics. Introducción Un amplificador de conmutación o amplificador clase D es un amplificador electrónico el cual usa el modo conmutado de los transistores (corte y saturación) para regular la entrega de potencia. Por lo tanto, el amplificador se caracteriza por una gran eficiencia (pequeñas pérdidas de energía), y esto trae consigo menos disipadores de calor y potencia, reduciendo el peso del amplificador. Además, si se requiere una conversión de voltaje, la alta frecuencia de conmutación permite que los transformadores de audio estorbosos sean reemplazados por pequeños inductores. Los filtros LC paso bajo suavizan los pulsos y restauran la forma de la señal en la carga. [1] I. CONTENIDO A. Marco Teórico MOSFET El transistor de efecto de campo metal-óxidosemiconductor o MOSFET (en inglés Metal-oxidesemiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el transistor de unión bipolar fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. El MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamados fuente (S, Source), drenador (D, Drain), puerta (G, Gate) y sustrato (B, Bulk). Sin embargo, el sustrato generalmente está conectado internamente al terminal de fuente y por este motivo se pueden encontrar dispositivos MOSFET de tres terminales. [2]

FIG 1. Simbolo de mosfets N y P.

BJT El transistor de unión bipolar es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite aumentar la corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. [2]

FIG 2. Simbolo de un BJT npn.

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OPAM

Un amplificador operacional, a menudo conocido opamp por sus siglas en inglés (operational amplifier) es un dispositivo amplificador electrónico de alta ganancia acoplado en corriente continua que tiene dos entradas y una salida. En esta configuración, la salida del dispositivo es, generalmente, de cientos de miles de veces mayor que la diferencia de potencial entre sus entradas. [3]

Filtro pasa bajos Un filtro paso bajo corresponde a un filtro electrónico caracterizado por permitir el paso de las frecuencias más bajas y atenuar las frecuencias más altas.1 El filtro requiere de dos terminales de entrada y dos de salida, de una caja negra, también denominada cuadripolo o bipuerto, así todas las frecuencias se pueden presentar a la entrada, pero a la salida solo estarán presentes las que permita pasar el filtro. De la teoría se obtiene que los filtros están caracterizados por sus funciones de transferencia, así cualquier configuración de elementos activos o pasivos que consigan cierta función de transferencia serán considerados un filtro de cierto tipo. [1]

FIG 3. Simbolo de un OPAM FIG 5. Filtro pasa bajos pasivo.

Generador de diente de sierra Una onda de sierra es un tipo de onda no sinusoide. Recibe su nombre porque su forma se asemeja a la de los dientes de una sierra. La convención de una onda de sierra es que ésta se levanta en forma de rampa y después baja rectamente. Sin embargo también existen ondas de sierra en donde las ondas bajan de forma de rampa y después suben rectamente. Esta última forma usualmente es llamada 'onda de sierra inversa'. En las señales de audio, ambas direcciones de ondas de sierra suenan de la misma manera. [4]

FIG 4. Onda de sierra inversa.

Amplificador Clase D A pesar de la complejidad involucrada, un amplificador clase D propiamente diseñado ofrece los siguientes beneficios: Reducción en tamaño y peso del amplificador, Menor pérdida de potencia debido a disipadores de calor menores (o casi inexistentes), Menor costo debido a disipadores de calor menores y circuitería más compacta, Gran eficiencia de conversión de potencia, usualmente mayor al 90 %. La alta eficiencia de un amplificador clase D se debe al hecho de que la etapa de conmutación de salida nunca es operada en la región activa (o región lineal para BJTs). En vez de eso, los dispositivos de salida están completamente encendidos o apagados -ambos estados disipando cantidades mínimas de potencia en los dispositivos de salida-. Cuando los dispositivos están encendidos, la corriente a través de ellos es máxima pero el voltaje a través de ellos es (idealmente) cero y cuando los dispositivos están apagados, el voltaje a través de ellos es máximo pero la corriente es igual a cero. En ambos casos, la potencia disipada (V * I) es cero. Todos estos cálculos están basados en circunstancias ideales. En la práctica, siempre hay pérdidas, debidas a fugas, caídas de voltaje, velocidad de conmutación de los

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dispositivos de potencia, etc. De cualquier forma, estas pérdidas son suficientemente pequeñas para mantener una alta eficiencia. Esto aún deja la señal con un contenido armónico considerable, que puede ser filtrado. Para mantener una alta eficiencia, el filtrado se hace exclusivamente con componentes reactivos, como inductores y condensadores, los cuales almacenan la energía hasta que se requiera en lugar de convertirla en calor. [4]

Visualizar la forma de onda con vs la onda de diente de sierra

FIG 6. Diagrama de un Amplificador Clase D.

II. PROCEDIMIENTO F=8.37Hz Voff=3.35V Vac=3.1V

Visualizar la forma de onda despues del comparador vs la señal de entrada

Utilizando el simulador ORCAD, esquematizar un amplificador clase D, utilizando como generador de diente de sierra el un scr.

Visualizer la onda despues del driver Q+

Visualizar la forma de onda de la entrada

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Visualizer la onda despues del driver Q-

Visualizar Vin vs Vo

Visualizar la onda despues de la etapa de los MOSFET vs la señal de entrada

III. CONCLUSIONES Mediante el uso de un amplificador clase de se observa un incremento en la amplitud de la onda. El uso de una frecuencia muy alta genera perturbaciones en la etapa de comparación, generando formas de ondas extrañas a la salida. El uso de un filtro pasa bajos ayuda a darle una mejor forma a la onda de salida, aunque en este caso no le da una forma sinusoidal perfecta.

Visualizar la forma de onda a la salida del filtro vs la forma de onda a la salida de los mosfet

IV. REFERENCIAS [1] Sánchez Moreno, Sergio Class D Audio Amplifiers - Theory and Design [2] Floyd, Thomas, Dispositivos Electrónicos, Octava Edición, 2008. [3]

[4]

Floyd, Thomas L. (2008). «El Amplificador Operacional». En Luis Miguel Cruz Castillo. Dispositivos electrónicos. Pearson Educación. p. 593. ISBN 978-970-26-1193-6.

Hugh L. Montgomery; Robert C. Vaughan (2007). Multiplicative number theory I. Classical theory. Cambridge tracts in advanced mathematics 97. pp. 536-537. ISBN 0-521-84903-9.