El amplificador de altavoz de 1,5 W ofrece un rendimiento de sonido

El amplificador de altavoz SSM2211, del grupo de amplificadores de audio de Analog Devices, es un amplificador de potencia operativo diseñado para entregar hasta 1,5 W de potencia en un altavoz de 4 Ω cuando se alimenta con una fuente única de +5 V. Su unidad actual, calidad de sonido y disipación de calor han mejorado sustancialmente con respecto a los amplificadores de altavoces integrados anteriores. Su paquete SO-8 utiliza una técnica patentada Thermal Coastline para una disipación de calor significativamente mejorada en un espacio pequeño. Esto permite que el dispositivo entregue energía a temperaturas ambiente elevadas.

El SSM2211 de salida push-pull consta de un amplificador de entrada (Figura 1), que se puede configurar para obtener una ganancia como un amplificador operacional estándar, y un amplificador inversor de ganancia unitaria, con la polarización adecuada, que produce un voltaje de salida diferencial a través de un «» flotante » carga «ligada en puente» (BTL) con una oscilación máxima que se aproxima al doble del voltaje de suministro (por lo tanto, cuatro veces la potencia de salida de un solo extremo en una carga resistiva). Ambos amplificadores tienen etapas de salida de alta corriente (hasta 400 mV de los rieles a plena potencia). Hay disponible un voltaje de referencia para polarizar los dos amplificadores para uso de suministro único, y el dispositivo se puede poner en un modo de apagado de baja corriente, consumiendo típicamente menos de 10 nA; esto lo hace muy adecuado para aplicaciones alimentadas por batería, como audio de PC portátil y radios móviles.

Figura 1
Figura 1. Esquema simplificado de SSM2211.

Con la máxima potencia de salida, la distorsión armónica total (THD) es solo del 0,1 %, una mejora significativa con respecto a los amplificadores de altavoz IC actualmente en el mercado.

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Objetivos de diseño

Hay dos desafíos principales en el diseño de un amplificador de potencia que se alojará en un paquete de contorno pequeño (SOIC). Uno es entregar la potencia máxima de manera eficiente desde un solo voltaje de suministro. El otro es disipar el calor que genera el dispositivo a altos niveles de potencia de salida sin un aumento excesivo de la temperatura.

Para impulsar una carga conectada desde la salida de un solo extremo de un amplificador a tierra, la potencia de onda sinusoidal máxima disponible es simplemente VPAGS2/(2R), dónde VPAGS es el voltaje pico. En el caso ideal (riel a riel), VPAGS sería la mitad del voltaje de suministro, y la salida máxima sería Vs2/(8R). Con el amplificador polarizado a la mitad en una aplicación de suministro único, se debe usar un capacitor para acoplar un altavoz a una salida de un solo extremo para bloquear la corriente continua del altavoz. Debido a que la resistencia típica de un altavoz puede ser de 8 Ω o menos, la capacitancia debe ser de al menos varios cientos de microfaradios para minimizar la atenuación a bajas frecuencias. El capacitor agrega costo al diseño del sistema y ocupa un valioso espacio en la placa. La eficacia de esta disposición es baja.

Al conectar un altavoz a través de ambas salidas en una configuración push-pull o de carga conectada en puente (BTL), se elimina la necesidad de un capacitor de acoplamiento, porque ambas terminales de salida están polarizadas al mismo voltaje de CC. La configuración BTL también duplica la oscilación de voltaje en la salida. Debido a que la potencia de salida es proporcional al cuadrado del voltaje, esto permite entregar cuatro veces más potencia al altavoz, un aumento de volumen de 12 dB. Además, la eficiencia puede ser mayor.

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La disipación de potencia máxima del SSM2211 es una función del voltaje de suministro y la resistencia del altavoz que está manejando. Se puede encontrar mediante la fórmula:

Ecuación 1

donde VDD es la tensión de alimentación y RL es la resistencia del altavoz.

Con un suministro de +5 V y un altavoz de 8 Ω, la disipación de potencia máxima del dispositivo es de 633 mW. Esto puede resultar en un aumento significativo de calor en un paquete SO-8 estándar. Para mejorar la disipación de calor del paquete, el SSM2211 utiliza un paquete modificado para reducir la resistencia térmica. Este paquete patentado, desarrollado por Analog Devices, utiliza una modificación interna llamada Thermal Coastline® para mejorar la resistencia térmica en un paquete SOIC en más del 30%.

La modificación, realizada dentro del paquete, es invisible para el usuario. En un paquete estándar, el troquel se asienta sobre una paleta rectangular con las almohadillas de unión saliendo hacia el troquel. En un paquete con Thermal Coastline, se aumenta el área de la pala; las almohadillas de unión se extienden y se curvan alrededor de la paleta, como se muestra en la Figura 2. Esto proporciona un camino con mayor conductividad térmica para que el calor fluya desde la matriz hacia la caja del paquete, lo que reduce la resistencia térmica de la matriz al entorno ambiental.

Figura 2
Figura 2. Litoral Termal.

Para el paquete SOIC estándar, la resistencia térmica típica de la unión a la temperatura ambiente (iY) es 158 °C/W. En un paquete SOIC Thermal Coastline, iY es 98°C/W. Por lo tanto, una matriz en un paquete Thermal Coastline no se calentará tanto como una matriz en un paquete estándar con la misma disipación de energía.

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Como resultado de este paquete, SSM2211 puede entregar 1 W en una carga de 8 Ω a temperaturas de hasta +85 °C. Esta es una mejora significativa con respecto a los amplificadores de potencia IC en paquetes convencionales de contorno pequeño, que solo pueden entregar esta magnitud de potencia de salida a temperaturas inferiores a +44 °C.

La tecnología de Analog Devices Termal Coastline no se limita a paquetes de contorno pequeño; se puede aplicar a prácticamente cualquier tipo de paquete. Además del audio de alta potencia, estos nuevos paquetes térmicamente eficientes tienen aplicaciones útiles en la administración de energía y dispositivos de detección de temperatura. Puede esperar ver más paquetes pequeños de este tipo con mayor potencia de salida en un número cada vez mayor de nuevos productos de Analog Devices.

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