Módulo DSP para amplificadores digitais classe D

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1 Módulo DSP para amplificadores digitais classe D Apresentação. DSPower-2040 é um pequeno módulo de processamento de áudio digital desenvolvido para ser o coração de um amplificador digital de alta definição. Construído com base em um processador com arquitetura ARM de 32 bits, contém um poderoso DSP programado com algoritmos de filtros digitais, compressores, limitadores e moduladores digitais de sinais PWM para o acionamento de estágios de potência formados por transistores MOSFET. O módulo DSPower-2040 tem como objetivo substituir todos os componentes e circuitos analógicos que compõem um amplificador digital classe D pois em tese, se o amplificador é digital, por que deve conter circuitos analógicos? Com a tecnologia atual disponível, sinais analógicos só estão presentes nas duas pontas de uma cadeia de equipamentos de áudio, microfones e captadores numa ponta e alto falantes na outra. Somente nessas duas pontas é que há necessidade de conversão de sinais do domínio analógico para o digital e vice versa. Uma vez que sinal elétrico analógico é convertido para o domínio digital, todo o tratamento desse sinal deve ser efetuado também no domínio digital e somente deverá ser convertido novamente em analógico nos bornes do alto falante. Em uma cadeia de equipamentos de áudio puramente digital, a inclusão de um simples equipamento analógico exigirá nova conversão do sinal para o domínio analógico, seu tratamento, e outra conversão para o domínio digital. Conversões A/D e D/A sucessivas dentro de uma cadeia puramente digital adicionam ruídos, distorções e degradações ao sinal original e devem ser evitadas. Entradas e saídas de áudio puramente digitais estão presentes hoje na maioria dos equipamentos de áudio profissionais. Com isso elimina-se definitivamente as sucessivas conversões A/D e D/A dentro de um sistema, possibilitando um aumento expressivo na qualidade final do áudio. Além das duas entradas analógicas auxiliares, o módulo DSPower-2040 possui também uma entrada de áudio digital para sinais recebidos através de fibra óptica ou cabo coaxial digital. Com isso é possível integrar seu amplificador em uma cadeia de áudio puramente digital. O módulo DSPower-2040 é disponibilizado em duas versões, DSPower-2040-AV01 e DSPower-2040-Cx Na versão DSPower-2040-AV01 o módulo é fornecido configurado com um equalizador gráfico de seis bandas e com as quatro saídas PWM ativas. Esta versão deve ser usada para a avaliação do desempenho do modulo e possibilita a construção de um amplificador de potência com quatro canais de saída. A versão DSPower-2040-Cx é dedicada aos fabricantes de equipamentos de áudio. Nessa versão as funções do módulo são implantadas de acordo com as especificações e recursos que o produto do fabricante precisa. (customização) A Proex oferece todo o suporte e consultoria para adequar o módulo DSPower-2040 ás necessidade do seu produto e finalizar o projeto com sucesso.

2 Figura 1: Diagrama em blocos. Recursos de hardware: 1 Conversor A/D estéreo 24 bit - 96KHz. 2 Decodificação de sinais de fibra óptica ou cabo coaxial digital padrão S/PDIF. Suporta até 192kHz/24 bits DVD Áudio através de fibra óptica ou cabo coaxial digital. 3 Quatro saídas PWM complementares para o acionamento de Gate Drivers externos. 4 Sete pinos configuráveis para conexão com potenciômetros, chaves, leds ou comunicação serial. 5 Compatível com as arquiteturas de amplificadores digitais de áudio. 6 Dimensões reduzidas. Recursos de software: 1 Filtros digitais com coeficientes de 32 bits. 2 Filtros digitais disponíveis: a- Butterworth b- Bessel c- Linkwitz-Riley d- ChebyChev 3 Controle de volume independente para cada canal de saída. 4 Compressores\limitadores anti clipping. 5 Soft volume ao energizar. 6 Até 80 filtros digitais simultâneos. 7 Master volume. Aplicações: 1 Amplificadores de potência classe D com até quatro saídas. 2 Caixas acústicas amplificadas multi vias com crossover digital. 3 Módulos de potência automotivo com crossover digital. 4 Amplificadores de potência para P.A 5 Amplificadores de até quatro canais para sonorização ambiente. 6 Amplificadores para instrumentos musicais.

3 Figura 2: Pinagem. Pino 1: +5VDC O módulo DSPower-2040 deve ser alimentado com tensão DC de 5V, com tolerância de +-5%. Deve-se adotar preferencialmente um regulador de tensão dedicado somente ao módulo, com boa filtragem e localizado o mais próximo possível do módulo. O consumo de corrente do módulo DSPower-2040 pode variar entre 180mA e 200mA, dependendo do Sampling Rate adotado. Pino 2: GND Este pino deve ser conectado ao pino GND do regulador de tensão de 5V que alimenta o módulo. Pinos 3 e 4: Rin/Lin - Entradas analógicas de áudio. Pino 3-Rin : Entrada do canal direito. Pino 4-Lin : Entrada do canal esquerdo. O módulo DSPower-2040 possui um conversor Analógico/Digital (A/D) com 24 bits de resolução com Sampling Rate fixo de 96Khz e suporta uma tensão máxima de 3Vpp (2,1 VRMS) nas entradas analógicas. Essas entradas apresentam uma tensão de polarização de 2,5VDC e necessitam de capacitores de desacoplamento em série com o sinal a ser injetado. (figura 3) A não utilização desses capacitores poderá danificar o conversor A/D. Figura 3: 2x 470nF 3 Rin DSPower Lin

4 Pino 5: Entrada digital. Esta entrada recebe o sinal de áudio digital entregue por um conector de fibra óptica externo denominado TOSLINK ou por um conector RCA para cabo coaxial digital. Este tipo de sinal é fornecido por DVD players, mesas de som digitais e outros equipamentos de áudio digital que tenham conector Toslink ou saída RCA de sinal digital. O sinal de áudio digital recebido por essa entrada é decodificado e tratado no domínio digital pelo módulo. Esta entrada digital comporta dois canais de áudio digital (L/R) com 24 bits de resolução e suporta as taxas de amostragem (sampling Rate) de 48KHz, 96KHz, 176.4KHz ou 192KHz. A entrada digital possui privilégio sobre as entradas analógicas. Sempre que houver sinal válido nesta estrada, as entradas analógicas serão desabilitadas. A inserção ou retirada do cabo óptico no conector, enquanto o módulo estiver reproduzindo o sinal de áudio, não produz ruídos na saída de áudio. Durante a reprodução, as saídas PWM serão desligadas se o sinal recebido pela entrada digital não estiver dentro do protocolo adotado ou quando receber dados inválidos ou corrompidos. O uso de cabos de fibra óptica para transmissão de áudio digital proporciona as seguintes vantagens: 1- Altíssima isolação elétrica entre os equipamentos do sistema. a- Ruídos de chaveamento da fonte de alimentação presentes nos terras dos circuitos não são transmitidos ou propagados pela fibra óptica. b- Eliminação completa do efeito denominado Looping de Terra. 2- Completa imunidade na captação de ruídos. a- Cabos de fibra ótica não captam ruídos eletromagnéticos. Esses cabos podem passar perto de fontes de ruídos como motores e transformadores de alta tensão sem captar qualquer ruído. 3- Diversos canais simultâneos. a- Diversos canais de áudio digital podem trafegar simultaneamente pelo mesmo cabo de fibra ótica em longas distâncias, sem o efeito de Crostalk entre eles e sem perdas ou atenuações do sinal de áudio. Um simples DVD Player disponibiliza em sua saída digital até 8 canais simultâneos, referentes ao sistema Surround. Em um grande sistema de P.A, até dezenas de canais. 4- Redução no custo de instalação e na complexidade. (comparação) Em um grande sistema analógico de sonorização tipo PA, os sinais dos microfones e instrumentos musicais presentes no palco são enviados á mesa de som através de cabos de cobre balanceados com caros conectores XLR em cada ponta. Depois de processados pela mesa de som, esses sinais devem voltar ao palco para alimentar os amplificadores de potência das caixas acústicas laterais ao palco e caixas monitoras. A quantidade de cabos de cobre balanceados e a quantidade de conectores XLR neste caso é enorme bem como o custo de mão de obra e tempo de instalação. Entretanto, em um mesmo sistema de sonorização P.A no formato DIGITAL, bastam apenas dois cabos de fibra óptica entre o palco e a mesa de som do sistema. Um cabo óptico para enviar os sinais do palco até a mesa de som e outro cabo para retornar ao palco. Nunca aplique sinais de áudio analógicos nessa entrada.

5 Pinos 6 até 13: Saídas PWM. O módulo DSPower-2040 emprega o método Tri Level PWM Modulation (modulação pwm em três níveis) utilizado em amplificadores HI END de alta definição. (não confundir com o termo Tri Level adotado em inversores de energia) Diferente do método convencional de geração de sinais PWM que utiliza osciladores dente de serra analógicos sem base de tempo precisa, no módulo DSPower-2040 os sinais PWM são gerados digitalmente, com base de tempo precisa controlada por cristal com estabilidade de 5ppm. Esse método de geração de pwm possibilita rendimento superior do estágio de potencia, menor aquecimento, menor emissão de interferências eletromagnética. Os estágios de pwm podem trabalhar com frequências de modulação programável de 192kHz, 384kHz e 784KHz. O módulo DSPower-2040 possui quatro saídas PWM complementares possibilitando projetos de amplificadores digitais de áudio classe D com até quatro canais. Cada saída PWM é composta por dois sinais, M+ e M-. No processo de modulação em três níveis, os sinais M+ e M- apresentam três estados diferentes. (figura 4) 1- Durante a reprodução do semi ciclo positivo do sinal, somente na saída M+ haverá modulação pwm. Durante esse semi ciclo, a saída M- se mantém em nível lógico 0 (zero). 2- Durante a reprodução do semi ciclo negativo do sinal, somente na saída M- haverá modulação pwm. Durante esse semi ciclo, a saída M+ se mantém em nível lógico 0 (zero). 3- Na passagem por zero do sinal ou quando não houver sinal a ser reproduzido, o sinal de modulação desses pinos são desligados, (nível lógico 0). Figura 4: Modulação Tri Level Figura 5: Portadora PWM, formas de onda. Os tempos Ton+ e Ton mínimos são 100nS mas podem ser aumentados até 300nS para se adequarem á velocidade de comutação dos transistores fets adotados no projeto.

6 Conforme figura 5, a amplitude dos sinais de pwm é de 3,3V. A figura 6 apresenta um exemplo de interface com o gate drive Ir2110 que suporta trabalhar com amplitude de 3,3V em seus dois pinos de controle. Para isso, o pino 9 deste gate drive deverá ser alimentado com 3,3V. Figura 6: Interface em 3,3V com IR2110. (válido somente para configuração Half Bridge) Alguns Gates Drivers não comportam esse nível baixo de acionamento, nestes casos um conversor de nível de tensão deve ser adotado. (figura 7) Figura 7: Interface em 5V com gate driver genérico. (válido somente para configuração Half Bridge) Note que os exemplos mostrados nas figuras 6 e 7 são indicados somente para pontes de Mosfets ligados na configuração Half Bridge (meia ponte). Para a conexão do módulo em pontes Full Bridge, formado por quatro transistores, o esquema mostrado na figura abaixo é obrigatório. Figura 8: Modo de conexão para pontes Full Bridge.

7 Estágios de potência, Haf Bridge ou Full Bridge? O módulo DSPOWER-2040 permite as duas arquiteturas de estágios de potência, Half Bridge e Full Bridge. Em um projeto com o módulo DSPOWER-2040, essas duas arquiteturas podem estar juntas, na mesma placa. Quando alimentadas com o mesmo valor de tensão, pontes Full Bridge entregam o dobro da potência de uma ponte Half Bridge. Com relação a qualidade de áudio, pontes Full Bridge apresentam um melhor desempenho e menor distorção harmônica. Sub-graves e graves podem conter até 50% da potência total do sinal que esta sendo reproduzido. Logo, para essa duas bandas de frequência, pontes Full Bridge são aconselháveis. As pontes Half Bridge podem ser usadas para a reprodução das bandas de médios e agudos. Deve-se observar entretanto os valores das correntes envolvidas em cada arquitetura, em relação a impedância dos alto falantes conectados nas saídas e a capacidade de corrente que a fonte de alimentação será capaz de entregar. Pinos 14 até 20: P1 á P7 (interface com o usuário) Interface com o usuário são potenciômetros, chaves, leds ou comunicação serial com os quais o usuário poderá alterar os parâmetros de funcionamento do módulo tais como, volumes, ganhos e curvas dos filtros, entre outros. No módulo DSPower-2040 é possível configurar cada um desses pinos de acordo com a interface a ser usada: a- Entradas analógicas para leitura de potenciômetros. b- Entradas digitais para leitura de teclas ou eventos externos. c- Saídas digitais para acendimento de leds. d- Comunicação serial (TX e RX). Figura 9: Interface com o usuário - exemplo de conexão. Os pinos que compõem a interface com o usuário não possuem funções fixas pré definidas. A função de cada pino será configurada individualmente por software para controlar o parâmetro desejado. Pinos não usados podem ser deixados desconectados.

8 Soft Start e Soft Volume ao energizar: Aplicações. Quando energizados, circuitos eletrônicos produzem surtos de tensão e corrente que podem chegar ao alto falante na forma de ruídos ou estalos. Esse fenômeno pode acontecer também quando se corta a alimentação do circuito. Com a adoção do módulo DSPower no projeto de um amplificador de potência, esse fenômeno não acontece. Ao energizar o módulo e durante a inicialização do software interno, as saídas PWM são mantidas desligadas (nível lógico 0) até todas as funções internas estarem ativas. Esta fase de inicialização chama-se Soft Start. Após o Soft Start, a função Soft Volume é inicializada. Nesta fase o controle de volume de áudio interno é aberto lentamente até atingir o mesmo valor ajustado no potenciômetro externo de volume. Quando a alimentação do módulo cai abaixo de 2.8V, as saídas PWM são automaticamente desligadas. Apesar de todas as vantagens que uma cadeia de áudio totalmente digital proporciona, no Brasil ainda se adota erradamente a inserção de equipamentos analógicos dentro desta cadeia. Um exemplo disso é encontrado na área de som automotivo. Apesar de os DVD Players para som automotivo possuírem uma saída digital de áudio, na grande maioria dos casos ela não é utilizada. Esse erro se deve principalmente ao fato de que os amplificadores digitais fabricados no Brasil não possuem entrada digital. Figura 10: Sistema incorreto (digital/analógico/digital) Mídia digital CD ou DVD DVD Player (digital) Saídas analógicas L R Crossover analógico Amplificadores digitais Alto falantes Cabos de cobre Cabos de cobre Figura 11: Sistema correto (totalmente digital) Mídia digital CD ou DVD DVD Player (digital) Saída óptica L R Fibra óptica Amplificadores digitais Crossover digital Alto falantes No diagrama mostrado na figura 10, apesar de o processamento interno no DVD Player ser totalmente no domínio digital, adota-se erradamente a saída analógica, obrigando a necessidade de sucessivas conversões D/A e A/D até que o sinal chegue aos altos falantes. Enquanto o sinal de áudio estiver no domínio analógico, não só os ruídos presentes nas linhas de alimentação desses circuitos serão introduzidos ao sinal bem como as distorções causadas por eles. O resultado final será uma qualidade de som com um certo nível de degradação que pode ser mensurado.

9 O exemplo mostrado na figura 11 evita as deficiências apontadas acima e possibilita um melhor desempenho e melhor qualidade final de áudio do sistema. O módulo DSPOWER 2040 é voltado ao mercado de amplificadores de alta definição, em sistemas digitais com trans missão via fibra óptica ou cabo coaxial digital. Nesta condição, o DSPOWER 2040 é imune a ruídos externos e preserva a qualidade original presente na mídia digital. O módulo DSPOWER 2040 possibilita a construção de módulos de potência com crossover digital integrado de até quatro canais, com entrada para fibra óptica, para aplicações em som automotivo e caixas acústicas multivias amplificadas. Figura 12: Módulo de potência digital com crossover integrado. No exemplo acima, o módulo DSPOWER 2040 é responsável por todo o tratamento do sinal de áudio no domínio digital e geração dos sinais PWM necessários ao correto acionamento dos gate drivers externos (até quatro canais de áudio). No módulo DSPOWER 2040 os filtros digitais que formam o crossover digital são ajustado com as curvas e atenuações definidas pelo fabricante do equipamento. Em aplicações onde os parâmetros dos filtros necessitam ser ajustado em campo, pelo usuário, uma interface com o usuário externa mais elaborada deve ser adicionada. Essa interface externa poderá ter display, com menus de configuração mas detalhados e se comunicará com o módulo através de comunicação serial. Neste caso, os pinos P3 e P4 do módulo DSPOWER 2040 são configurados para comunicação serial (P3: Tx) (P4: Rx). O protocolo de comunicação serial adotado é fornecido ao fabricante do equipamento e permite acesso mais detalhado a todas as funções e recursos programados no módulo. O módulo DSPOWER 2040 é fornecido com a arquitetura de software e recursos já embutidos, de acordo com as especificações e necessidades de cada aplicação do cliente. Entre em contato com a Proex para maiores informações sobre as customizações possíveis.

10 DSPOWER Especificações elétricas: Módulo DSPOWER-2040 : Tensão de alimentação... 5VDC +5% -3% Consumo de corrente mA~200mA Entradas analógicas (Conversor A/D): Resolução bits Sampling Rate... 96kHz (fixo) Número de canais... 2 Máxima tensão de entrada (pinos 3 e 4)... 3Vpp Impedância de entrada... 68k Ohms Resposta em frequência... 5Hz á 48Khz Relação Sinal/Ruído dB Faixa dinâmica dB Entrada digital: Máxima tensão de entrada (pino5)... 5V Protocolos suportados... S/PDIF normas IEC60958, IEC61937 Resolução máxima bits Número de canais... 2 Sampling Rates suportados (khz)... 48, 96, 176.4, 192 Resposta em frequência Hz á 96Khz Saídas PWM: Tipo de modulação... Balanced Tri Level Modulation Frequências da portadora (khz) , 384 e 768 Número de canais... 4 Mínima largura de pulso nS Dead Time nS Índice máximo de modulação... 99% * Tensão em nível lógico ,2V Tensão em nível lógico ,3V Capacidade de corrente máxima... 3mA por pino** * Quando os estágio Compressor/Limiter ou Anti Climpping estiverem habilitados, este índice de modulação poderá ser reduzido. ** Os pinos referentes ás saídas PWM não possuem proteção contra curto circuito ou sobrecargas. Interface com o usuário (pinos P1 á P7): Máxima tensão de entrada ou saída... Mínima: -0,3V, máxima 3,3V Capacidade de corrente (modo Saída)... 8mA Número de canais... 7 Configurações possíveis... Entrada A/D (12 bits de resolução); Entrada digital; Saída digital. Comunicação serial (P3: Tx) (P4: Rx).

11 DSPOWER Recursos de software: Controles de Volumes digitais: Controle de volume Master (atua simultaneamente em todos os canais de saída) Faixa de atuação... De 125dB á 0dB em passos de 0,5dB* Controle de volume independentes por canal Faixa de atuação... De 79dB á +46dB em passos de 0,5dB* Parâmetros Ajustáveis pelo usuário... Volume Master Volume canal 1 Volume canal 2 Volume canal 3 Volume canal 4 * Quando a relação entre o nível de volume de algum canal e o nível de volume Master for menor que 79dB, a saída PWM correspondente ao canal será desligada. Soft Volume ao energizar: Atuação... Volume Master Valor ao energizar dB Tempo de subida... 6 segundos Valor final... De acordo com a posição do controle de volume master Parâmetros programáveis por software... Tempo de subida: de 1 á 30 segundos. Filtros digitais: Resolução bits Coeficientes bits Quantidade máxima de filtros simultâneos Tipos de filtros... Low Pass Band Pass Hi Pass All Pass Notch Peaking Shelving Modelos de filtros... Butterworth Bessel Linkwitz-Riley ChebyChev Configurações possíveis... Equalizadores gráficos estéreo de até 32 bandas Equalizadores paramétricos Filtros Cross Overs Controles de tonalidade Graus de atenuação... 3dB á 74dB Fator de qualidade (Q)... de 0.30 á Correção de fase (graus)... 0 á 360 Parâmetros Ajustáveis pelo usuário... Frequências da corte (superior e interior) Ganho (-30 á +15 db) By Pass (on/off)

12 Compressores/Limitadores e Anti-Clipping: Quantidade de estágios... 2 Modos de funcionamento... Compressor/Limitador ou Anti-Clipping Modo Compressor/ Limitador: Parâmetros programáveis por software...attack Rate: de 0.05 á 3.2 db/ms Release Rate: de 0.01 á 0.52 db/ms Attack Threshold: de 4 á -31 db Release Threshold: de 6 á 38dB Modo Anti-Clipping: Parâmetros programáveis por software...attack Rate: de 0.05 á 3.2 db/ms Release Rate: de 0.01 á 0.52 db/ms Attack Threshold: de 12 á +10 db Release Threshold: de 0 á 30dB Condições de fornecimento: O módulo DSPOWER-2040 foi desenvolvido no Brasil pela PROEX PROJETOS EXCLUSIVOS a qual detém a propriedade intelectual do produto bem como todos os direitos autorais relacionados. A venda do módulo DSPOWER-2040 estará condicionada a plena aceitação pelo comprador, das condições abaixo relacionadas: 1 O modulo DSPOWER-2040 é composto por diversos componentes eletrônicos dedicados que formam um cir- - cuto eletrônico com as funções descritas neste manual. No fornecimento do módulo DSPOWER-2040 ao cliente, a Proex não estará obrigada a fornecer o esquema elétrico interno do módulo, a relação dos componentes adotados ou cópias do software embutido. 2 Por se tratar de um módulo eletrônico, seu funcionamento dependerá ainda de circuitos externos auxiliares cujo desenvolvimento será de responsabilidade única do cliente, não cabendo a Proex qualquer responsabilidade ou obrigação em prestar suporte técnico ao cliente ou garantias com relação a esses circuitos. 3 A garantia disponibilizada pela Proex limita-se ao prazo especificado em contrato de fornecimento e a defei tos de funcionamento inerentes ao hardware interno do modulo. Falhas ou mal funcionamento que tenham sidos provocados por circuitos externos ou induzidos por estes não são cobertos pela garantia.