Parte III.         

3.01       Realizzazione del circuito

L’amplificatore in classe D è stato realizzato su scheda millefiori seguendo lo schema elettrico descritto nella parte 2. L’integrato LX1720, è stato gentilmente fornito dalla ditta CARLO GAVAZZI CEFRA SpA di Milano, mentre il resto dei componenti sono stati acquistati attraverso le ditte RS e DISTRALEC.

Gli integrati LX1720 e i MOS Si9945 e Si9953 sono realizzati su package a montaggio superficiale e per essere adattati alla scheda millefiori sono stati utilizzati circuiti stampati di raccordo.

Nel montaggio del circuito è stata posta particolare attenzione ai collegamenti di massa e alimentazione, infatti per evitare problemi di compatibilità elettromagnetica l’integrato LX1720 mantiene distinte tre masse( massa del segnale audio, massa dell’alimentazione dell’integrato e massa della sezione di potenza) e due alimentazioni (alimentazione dell’integrato e alimentazione della sezione di potenza). Anche nella basetta sono state rispettate queste distinzioni. Altri accorgimenti per il montaggio sono descritti in modo dettagliato nella sezione layout note dell’application note AN-11.

Le funzioni SLEEP e MUTE dell’LX1720 non sono state utilizzate, dunque i relativi piedini sono stati connessi in modo da non creare fastidio al funzionamenti dell’integrato, il piedino SLEEP (attivo basso) è stato connesso all’alimentazione, mentre i piedini MUTE (attivi alti) sono stati connessi a massa.

 Purtroppo il canale sinistro dell’amplificatore non funziona, infatti è stato verificato che le tensioni di pilotaggio dei MOS con un segnale in ingresso nullo non ha dutycicle del 50% come dovrebbe. Viene spontaneo pensare ad un guasto di fabbricazione dell’integrato di controllo, oppure un guasto dell’integrato indotto durante la fase di messa a punto del prototipo. Ricordiamo a proposito il “travaglio” che ha portato alla realizzazione del circuito funzionante: nella prima versione avevamo utilizzato MOS della famiglia IRF510/9520 e con essi il prototipo risultava non funzionante a causa della alta tensione di soglia di tali transistori. Visto che il canale sinistro non funziona questo non è stato montato, ma poiché la finalità di questo lavoro è verificare le prestazioni dell’amplificatore in classe D, questa mancanza non toglie completezza alla tesina.

3.02       Misure sull’amplificatore in classe D

Descriviamo di seguito quali misure abbiamo realizzato sul prototipo.

Gli strumenti di misura sono: il generatore di forme d’onda (modello ITT 4X240 n° 3), l’oscilloscopio (modello HAMEG 20MHz), l’alimentatore (modello HEWLETT PACKARD E3620A) e l’analizzatore di spettro (modello HEWLETT PACKARD 3585 A 20Hz-40MHz). Nel realizzare le misure bisogna tenere presente che il carico dell’amplificatore non ha un riferito a massa, dunque connettendo l’oscilloscopio ai capi del carico e il generatore di forme d’onda in ingresso all’amplificatore si a un malfunzionamento del circuito a causa della massa comune tra generatore di funzioni e oscilloscopio. Si è risolto tale problema staccando il filo di terra dell’oscilloscopio così da isolare la massa di quest’ultimo da quella del generatore di forme d’onda. È doveroso ricordare che così si perde la protezione del salvavita sull’oscilloscopio; l’operatore deve essere consapevole di questa situazione e prestare la massima attenzione.

Anche con questo accorgimento alcune misure non sono possibili, ad esempio non si possono visualizzare sui due canali dell’oscilloscopio la tensione sul carico e la tensione di ingresso

Misura della massima potenza sul carico

Questa è chiaramente la massima potenza che l’amplificatore può fornire al carico in condizioni di non distorsione. In ingresso al canale destro dell’amplificatore abbiamo posto il generatore di forme d’onda sinusoidale e per carico abbiamo utilizzato una resistenza da 7.5W ( disponendo solo di resistenze di 5W / 25 Watts abbiamo utilizzato tre di tali resistenza disposte in modo da formare una resistenza equivalente da 7.5W) abbiamo fornito al circuito la massima alimentazione ammessa di 15V. La tensione sul carico è stata monitorata con l’oscilloscopio. L’ampiezza della tensione di ingresso è stata aumentata fino a vedere la saturazione della tensione sul carico. In tabella 1 riportiamo alcune misure per diverse frequenze:

Tabella 1

La misura è abbastanza imprecisa perché è lasciato all’operatore il giudizio sulla condizione di non distorsione sul carico. In generale si può dire che la potenza è almeno 1.5 Watts più piccola dei 10 Watts attesi.

Misura del rendimento

Il rendimento è il parametro che giustifica l’impiego degli amplificatori in classe D e per questo sono state fatte numeroso misure per diversi valori del segnale di ingresso. L’ingresso è fornito tramite il generatore sinusoidale sul canale destro, il carico è la stessa resistenza di 7.5W della precedente misura, l’oscilloscopio rileva la tensione di picco sul carico quindi indirettamente la potenza, l’alimentatore oltre a fornire tensione al circuito, misura sia la tensione che la corrente erogata  all’amplificatore fornendo la misura della potenza  da esso assorbita. I risultati sono riportati nella successiva tabella 2.

Tabella 2

I rendimenti misurati sono in linea con quanto ci attendevamo.

Misura della risposta in frequenza

Il generatore di forme d’onda fornisce all’ingresso un segnale di ampiezza costante pari a 0.185 V, la tensione di alimentazione è fissata a 15 V e l’oscilloscopio misura la tensione sinusoidale sul carico resistivo di 7.5W. La frequenza del segnale di ingresso è variata da pochi Hz fino a 100kHz, su tutta la banda dell’amplificatore. Con questo setup di misura raccogliamo i dati di seguito riportati.

Tabella 3

È doverosa una critica a questa misura. Per ogni nuova frequenza impostata al segnale di ingresso si è misurata l’ampiezza dell’uscita, la frequenza dell’uscita, ma l’ampiezza dell’ingresso. Si è supposto che variando la frequenza del generatore di forme d’onda non variasse il valore dell’ampiezza impostato all’inizia a 0.185 V e questo crea un possibile errore nella misura del guadagno. Non è stato corretto questo errore perché risultava scomodo misurare sia il segnale in ingresso che quello in uscita per l’impossibilità di visualizzarli contemporaneamente sull’oscilloscopio.

Per una migliore lettura i dati raccolti sono stati rappresentati nel grafico di figura 1.

Figura 1

Facciamo notare che la misura della banda è stata effettuata con una potenza sul carico di circa 4.5Watts, cioè più bassa della massima potenza ammissibile sul carico.

Il guadagno di centrobanda è di 32dB, la banda passante va da 20Hz a 70kHz e alla frequenza di 20kHz è presente un picco di ampiezza 2dB. È necessario precisare che a frequenze superiori ai 20kHz la distorsione sul segnale di uscita è molto evidenta, dunque la misura del guadagno a tali frequenze risulta particolarmente imprecisa. Si può affermare che il guadagno misurato sull’amplificatore è in linea con quanto riportato nella documentazione LinFinity.

 Misura del THD

Il THD è stato misurato attraverso l’analizzatore di spettro collegato sul carico di 7.5W: il generatore di segnale fornisce in ingresso al circuito una tensione sinusoidale a frequenza 500Hz di ampiezza circa 15 mV e l’analizzatore di spettro visualizza lo spettro della tensione sul carico (nota l’analizzatore di spettro ha la terra sconnessa). È stato impestata l’ampiezza del filtro IF a 100 Hz e lo la  banda di misura va da 500 a 20 kHz. La tensione sul carico è prelevata attraverso una sonda che attenua di un fattore 10, dunque i dati raccolti vanno moltiplicati di un fattore 10. Con questo setup di misura abbiamo raccolto l’ampiezza dei picchi dello spettro del segnale sul carico riportati nella successiva tabella 4.

Tabella 4 I dati vanno moltiplicati per 10

Abbiamo effettuato un a seconda misura del THD con un segnale di ingresso di 1000 Hz. Con lo stesso setup di misura precedentemente descritto abbiamo ottenuto i risultati di tabella 5.

Tabella 5 I dati vanno moltiplicati per 10

Nel datasheet della LinFinity è riportato che il THD è minore dell’1%, dunque i valori da noi misurati sono superiori a quelli dichiarati dalla LinFinity.

È necessari riportare delle critiche alle misure del THD.

Nelle misure del THD si è fatta l’ipotesi implicita che il generatore sinusoidale sia ideale e cioè  che abbia THD pari a zero. Ci aspettiamo che la distorsione del generatore sia quantomeno molto più piccola di quella dell’amplificatore, solo così ha significato la nostra misura. In tabella 6 riportiamo la misura del THD del generatore sinusoidale.

Tabella 6 I dati vanno moltiplicati per 10

La misura del THD dell’amplificatore è stata fatta con un segnale sul carico di ampiezza 5.9 V, cioè con una potenza di 2.32 Watts, cioè molto più piccola della massima potenza ammessa sul carico. È intuitivo che la distorsione sul segnale di uscita aumenta all’aumentare dell’escursione di tensione sul carico, dunque nella misura del THD non ci siamo messi nelle condizioni peggiori. Sicuramente ripetendo la misura con una potenza sul carico più grande di 2.3 Watts otterremo risultati più scadenti.

3.03       Conclusioni

Nell’amplificatore in classe D che abbiamo realizzato troviamo tutti i pregi e difetti di questa classe di amplificatori di cui avevamo parlato nella parte 1. Il rendimento è molto elevato, il circuito risulta molto compatto, ma la distorsione sul segnale è abbastanza elevata. In più possiamo dire che il circuito è semplice da progettare e da mettere a punto. Tuttavia non è facile progettare il circuito per potenze sul carico molto elevate, ricordiamo che la massima potenza che abbiamo ottenuto sul carico nel nostro circuito è circa 2 Watts più piccola di quella che avevamo imposto in fase di progetto. La potenza sul carico dipende unicamente dalla scelta dei MOS  del convertitore e tale scelta è resa critica dal fatto che l’integrato di controllo LX1720 pilota tali MOS con tensione di 5V imponendo l’utilizzo di MOS a bassa soglia. Purtroppo questa difficoltà non è per niente riportata nella documentazione della LinFinity, dunque si può essere portati a  commettere errori. Sulla documentazione è scritto che su un carico da 4 W è possibile progettare il circuito in modo da avere una potenza di 20 Watts, secondo me la difficoltà di un simile progetto sarà la reperibilità di MOSFET in grado di fornire la corrente adeguata.

Nelle misure che abbiamo fato sul circuito, per comodità, abbiamo utilizzato come carico una resistenza al posto della cassa acustica e questo è una imprecisione. È importante verificare come funziona l’amplificatore con un segnale audio. Questa prova è stata fatta, ma vista l’impossibilità di riportare misure oggettive non è stata riportata nelle tesina. Possiamo solo dire che la qualità audio risulta accettabile.