Tehnologie de clasă D: Îmbunătățirea calității sunetului

Sistemele audio de clasă D sunt alegerea practică atunci când aveți nevoie de mai multă putere audio.

Brüel & Kjær a ajutat echipa de la Universitatea Tehnologică Nanyang (NTU) din Singapore, care a inventat un cip de calitate ultra-înaltă care poate tolera mai mult “zgomot” din partea altor componente ale unui dispozitiv. Cu o distorsiune redusă, calitatea sunetului poate fi îmbunătățită semnificativ.

Astăzi, audio înseamnă mai mult decât gamă dinamică sau distorsiune armonică totală (THD). Este vorba, de asemenea, despre putere: mai multă putere pentru mai puțin. Echipa din cadrul Diviziei de Inginerie Electrică și Electronică, parte a NTU, cercetează amplificatoare de clasă D (CDA) de foarte mică putere și foarte mare eficiență.

Ge Tong, cercetător științific principal la NTU, a început să lucreze cu Brüel & Kjær în urmă cu 10 ani, pe când își urma doctoratul. “Proiectul pe care îl făceam atunci era să proiectez o cască de ureche cu anulare activă a zgomotului (care era în fază incipientă la acea vreme)”, explică Ge Tong. “Am folosit simulatorul Brüel & Kjær Head and Torso Simulator și, de asemenea, sistemul PULSE – și le folosesc și acum pentru proiectul meu de amplificator de clasă D și pentru alte câteva proiecte.”

Din ce în ce mai mult, dispozitivele au nevoie de sunet de înaltă calitate fără a sacrifica eficiența energetică. Pentru majoritatea oamenilor, smartphone-urile au devenit principalul dispozitiv de ascultare, astfel încât calitatea audio primește o atenție sporită din partea producătorilor de telefoane. Având în vedere cerința de eficiență energetică ridicată, nu este surprinzător faptul că, în prezent, aproape toate dispozitivele mobile inteligente utilizează un CDA ca driver pentru difuzorul principal.

Cu toate acestea, aplicațiile audio de clasă D necesită o gamă largă de cunoștințe și tehnici de proiectare. Un etaj de amplificare ideal de clasă D nu are distorsiuni și nu generează zgomot în banda audibilă și oferă o eficiență de aproape 100%. Cu toate acestea, în practică, CDA-urile au imperfecțiuni care generează distorsiuni și zgomot.

“Performanță de excepție – Primul amplificator de clasă D de calitate ultra înaltă din lume. Punctele albastre indică CDA-urile din comerț (COTS) și cele publicate, iar punctul roșu indică noul CDA – ilustrând avantajele semnificative ale noului design.”

Un nou design CDA

Pentru a obține în continuare o eficiență energetică ridicată, fără a recurge la o frecvență de comutare ridicată, echipa de la NTU a propus un nou design CDA. Acest nou proiect cuprinde un generator de purtătoare modulat la intrare și un modulator de modulație pe lățime de impuls (PWM) fără erori de fază.

Caracteristicile prototipului CDA:

O distorsiune armonică totală redusă + zgomot (THD + N) de 0,0027%.
Cel mai mare raport de respingere a sursei de alimentare (PSRR) de până acum, PSRR = dB101 la 217 Hz
O frecvență de comutare relativ scăzută, FSW ˜ kHz320 în condiții nominale de funcționare

CDAS: Provocările

Parametrii cheie pentru a califica și cuantifica performanța CDA-urilor includ:
- - - THD + N – măsurarea neliniarității și a zgomotului
    - Raportul de respingere a sursei de alimentare (PSRR) – măsoară imunitatea la zgomotul de alimentare
    - Zgomotul de ieșire – măsurarea nivelului de zgomot
CDA-urile sunt în mare măsură deficitare în ceea ce privește fidelitatea și imunitatea la zgomot. De exemplu, doar foarte puține CDA-uri prezintă THD + N < 0,01% și un PSRR > 90 dB, iar niciunul nu prezintă PSRR > 100 dB.
O frecvență de comutare ridicată (FSW), de exemplu FSW > 500 kHz, și/sau bucle de reacție multiple și complexe pot îmbunătăți acești parametri, dar pot, de asemenea, genera compromisuri nedorite:

CDAS poate fi clasificat în trei categorii

De înaltă calitate: THD + N < 0,02%, PSRR > 80 dB și zgomot de ieșire < 40 µV
Foarte înaltă calitate: THD + N < 0,01%, PSRR > 90dB și zgomot de ieșire < 30µV
Calitate ultra înaltă: THD + N < 0,005%, PSRR > 100dB și zgomot de ieșire < 20µV

Testarea proiectului

Măsurarea performanțelor CDA este relativ simplă cu ajutorul unui analizor audio. Ge Tong și echipa de la NTU au măsurat THD + N și PSRR folosind un sistem PULSE care a fost conectat fără probleme la un simulator de cap și trunchi (HATS), care “ascultă” sunetul de la o cască acționat de un CDA și măsoară semnalul audio acustic. Ge Tong explică: “Acest a fost, în esență, un proiect de proiectare de circuite integrate. Procesul de dezvoltare a început cu proiectarea schematică și simularea, urmată de layout, extracția parazitelor și simulări post-layout. În cazul în care simulările post-layout îndeplinesc specificațiile de proiectare, putem trimite proiectul pentru fabricare. În cele din urmă, proiectarea este testată și verificată. Întregul proces durează aproximativ un an.”

Prea frumos pentru a fi adevărat?

“Cea mai dificilă etapă a acestui proiect a fost, probabil, să ne convingem pe noi înșine că, de fapt, este realizabil”, spune Ge Tong. Specificațiile de proiectare sunt foarte stricte – cu mult superioare la tot ce s-a făcut până acum. La o primă evaluare, s-ar putea crede că specificațiile sunt prea bune pentru a fi realiste. Echipa de la NTU a petrecut mult timp pentru a reface mecanismele de zgomot și neliniaritate și pentru a verifica dacă analizele lor teoretice erau corecte.

După o serie de discuții și verificări, toți membrii echipei au fost convinși că specificațiile de proiectare pot fi îndeplinite, iar execuția efectivă a proiectului a decurs fără probleme, având ca rezultat final proiectarea primului amplificator de clasă D de “calitate ultra înaltă”.

“Simulatorul de cap și trunchi Brüel & Kjær este un manechin cu “urechi” externe oglindite care asigură măsurători binaurale uniforme și fiabile ale calității sunetului. Simulatoarele de urechi calibrate sunt optimizate pentru măsurarea tuturor dispozitivelor plasate aproape de ureche, de exemplu, aparate auditive, protectoare auditive și căști, precum și telefoane și căști.”

Simulator de cap și trunchi (HATS)

Simulatorul de cap și trunchi Brüel & Kjær este un manechin cu “urechi” externe oglindite care asigură măsurători binaurale uniforme și fiabile ale calității sunetului. Simulatoarele pentru urechi sunt calibrate și sunt optimizate pentru măsurarea tuturor dispozitivelor plasate aproape de ureche, de exemplu, aparate auditive, protectoare auditive și căști, precum și telefoane și căști căști pentru acestea.

Performanță audio fără precedent

Rezultatul acestui proiect este o performanță fără precedent din partea CDA. Cipul de mărimea unui cap de ac care înglobează noul design CDA înseamnă, în cele din urmă, că sunetul audio de pe smartphone-uri va suna ca și cum ar proveni de la aparate stereo de înaltă calitate, iar utilizatorii de căști fără fir se vor putea bucura de o durată de viață mai lungă a bateriei. Printre aplicațiile viitoare ale cipului se numără amplificatoare audio, sisteme audio auto și televizoare.

Echipa de la NTU continuă să îmbunătățească designul și își propune să îl stabilească ca fiind standardul de aur al industriei pentru CDA. Ge Tong conchide: “Sperăm să comercializăm CDA-urile noastre în viitorul apropiat. Mai multe companii importante de proiectare de circuite integrate și-au exprimat interesul față de proiectul nostru, iar discuțiile noastre cu acestea sunt în curs de desfășurare.”

Proiectarea circuitelor integrate (IC)

Proiectarea circuitelor integrate implică logica și tehnicile specifice necesare pentru proiectarea circuitelor integrate. Într-un circuit integrat, multiplele componente individuale (de exemplu, tranzistori, diode, rezistențe, condensatori și căile conductoare care conectează toate componentele) sunt încorporate direct într-o singură bucată de cristal de siliciu.

Simulare – simularea pre-layout se face pentru a dezvolta constrângerile de proiectare
Simulare post-layout – simulare folosind layout-ul IC finalizat pentru a verifica conformitatea cu constrângerile de proiectare.
Efecte parazite – capacitatea inevitabilă și, de obicei, nedorită care există între părțile unui circuit integrat, pur și simplu din cauza proximității dintre ele.
Extracția parazitară – implică calcularea efectelor parazitare în dispozitivele și interconexiunile unui circuit integrat.

Dr. Ge Tong

Dr. Ge Tong este un inginer multidisciplinar, cu cercetări care cuprind circuite analogice și procesare a semnalelor de foarte mică putere și foarte mare eficiență, precum și electronică imprimată/organică pe substraturi flexibile pentru aplicații biomedicale și IoT. A publicat aproximativ 40 de lucrări de cercetare în reviste de top și în lucrări de conferințe și a depus 18 brevete. În prezent, conduce o echipă de cercetare formată din șase cercetători și este co-investigator principal al unui grant de cercetare în valoare de 600 000 de dolari din partea Alianței pentru cercetare și tehnologie Singapore-MIT. Este editor asociat al IEEE Transaction on Circuits and Systems-II.