I Mosfet e JFET SiC negli amplificatori audio. Può essere il futuro?

Tra gli esperti del settore audio e dell’Hi-Fi è sempre esistita la questione su quale fosse il miglior sistema di potenza da collegare tra il preamplificatore e gli altoparlanti. La storia dell’elettronica ci ha insegnato che i dispositivi più utilizzati sono stati (e sono tutt’ora) le valvole, i transistor, gli IGBT e i Mosfet al silicio. Oggi la tecnologia dei semiconduttori è senza dubbio più innovativa e promette risultati sempre migliori, e ciò è inevitabile. I nuovi Mosfet e JFET a SiC, fino a ora utilizzati con successo nel settore dell’alimentazione elettrica di potenza, promettono nuove frontiere anche nel campo dell’alta fedeltà musicale. Scopriamo come e se, tali dispositivi possano essere utili per la costruzione di amplificatori audio di potenza, in futuro.

Un mercato probabilmente in crescita

Molte aziende produttrici di amplificatori, anche italiane, affermano che il carburo di silicio promette ottimi risultati nel campo ed esso offre valide alternative ai dispositivi esistenti. Esse sono costantemente alla ricerca di scelte ecologiche e sostenibili, al fine di creare un mondo più rispettoso dell’ambiente, grazie alla più alta efficienza di funzionamento. Alcuni sviluppi sono rivolti verso gli amplificatori in classe AB per potenze anche superiori ai 500 W. Il carburo di silicio (SiC) è un materiale composto da carbonio e silicio e i suoi campi di applicazione sono sempre più numerosi, a cominciare dalle innovazioni sul settore automobilistico, militare e di alimentazione di potenza in genere. I dispositivi realizzati con i diodi e Mosfet SiC sono caratterizzati da aspetti positivi che spingono il mercato alla loro indiscriminata preferenza. Alcuni di queste caratteristiche sono:

  • capacità di ingresso e di uscita molto ridotte. Un Mosfet Sic può avere parametri capacitivi anche 10 volte inferiori ai componenti tradizionali;
  • alte velocità di commutazione e di transizione, anche 6-7 volte più veloce di un Mosfet al silicio;
  • temperature di giunzione più limitate grazie alla intrinseca Rds(on) più bassa.

Classe D

Gli amplificatori di classe D (vedi diagramma di principio in figura 1) migliorano l’efficienza energetica e il rapporto dimensioni/potenza degli amplificatori audio. Grazie alla inferiore carica di gate, alle elevate tensioni di rottura e alle buone caratteristiche di recupero inverso, i dispositivi SiC nell’amplificazione audio di classe D sono sempre più diffusi. Alcuni prototipi di stadi di potenza in classe D sono azionati da un segnale PWM. I tempi di spegnimento dei dispositivi SiC sono nettamente inferiori e le forme d’onda sono migliorate. I tempi morti più brevi migliorano significativamente il segnale audio dell’amplificatore per un complessivo miglioramento del THD (Total Harmonic Distortion).

Figura 1: diagramma a blocchi di un amplificatore in classe D

JFET SiC per audio di fascia alta

SemiSouth Laboratories, uno dei più importanti produttori di transistor al carburo di silicio, ha lanciato di recente una nuova famiglia di JFET SiC a basso costo con un’ottima linearità, mirata soprattutto ad applicazioni audio di fascia alta. Alcuni dei suoi amplificatori usano i dispositivi SJEP120R100A e SJEP120R063A (vedi in figura 2) per un’ottima linearità e una distorsione estremamente bassa. Negli ultimi periodi si è assistito a un incremento esponenziale delle qualità dei JFET nei circuiti audio. Nelle topologie push-pull vi sono miglioramenti della distorsione dal 50% al 70% e nei circuiti single-ended il miglioramento è stato di quasi dieci volte. I due modelli sono compatibili con i circuiti integrati gate driver standard e possono essere montati in parallelo, per una commutazione estremamente rapida. Il modello SJEP120R100A possiede le seguenti caratteristiche:

  • BV(ds): 1200 V;
  • Rds(ON): 0.1 Ohm;
  • Ets: 170 uJ;
  • compatibile con circuiti integrati standard per gate driver;
  • coefficiente di temperatura positivo per facilitare il parallelismo;
  • commutazione estremamente rapida, senza corrente di “coda”;
  • temperatura massima di esercizio: 150° C;
  • controllato in tensione;
  • bassa carica di gate;
  • bassa capacità intrinseca;
  • contenitore: TO-247;
  • corrente di drain continua: 17 A;
  • corrente di drain a impulsi: 30 A;
  • dissipazione: 114 W;
  • tensione gate-source: da -10 V a +15.

E’ interessante notare che il datasheet riporta, quale sua applicazione principale, il settore audio ad alte prestazioni, dove sono richieste le migliori performance di linearità e minori distorsioni. Il modello SJEP120R063A possiede, invece, le seguenti caratteristiche:

  • BV(ds): 1200 V;
  • Rds(ON): 0.063 Ohm;
  • Ets: 440 uJ;
  • compatibile con circuiti integrati standard per gate driver;
  • coefficiente di temperatura positivo per facilitare il parallelismo;
  • commutazione estremamente rapida, senza corrente di “coda”;
  • temperatura massima di esercizio: 150° C;
  • controllato in tensione;
  • bassa carica di gate;
  • bassa capacità intrinseca;
  • contenitore: TO-247;
  • corrente di drain continua: 30 A;
  • corrente di drain a impulsi: 60 A;
  • dissipazione: 250 W;
  • tensione gate-source: da -10 V a +15.
Figura 2: i JFET di potenza audio SJEP120R100A e SJEP120R063A

Amplificatori audio con Mosfet SiC

Audiozen, un’azienda siciliana, afferma che i Mosfet al carburo di silicio si rivelano componenti ideali per la riproduzione musicale. Nei suoi amplificatori (vedi in figura 3) se ne possono trovare anche otto. Alcuni suoi prodotti prevedono degli amplificatori monofonici monoblocco in classe AB, basati proprio sul SiC. Essi offrono una potenza fino a 200 Watt su 8 Ohm e 400 Watt su 4 Ohm, alimentati da un trasformatore toroidale da 625 VA, due ponti raddrizzatori e da condensatori di stabilizzazione da 25000 uF, stabili fino a 105 gradi. Un test su diversi stili musicali permette di mostrare le sue capacità su tutto lo spettro delle frequenze. I bassi sono profondi ma ben controllati, i piatti del charleston si presentano in modo pulito e sono presenti dettagli impressionanti negli effetti di riverbero. L’amplificatore che l’alimentatore sono rifiniti secondo uno standard elevato.

Figura 3: amplificatore a Mosfet SiC della Audiozen, azienda siciliana

Perché gli amplificatori audio a SiC dovrebbero suscitare interesse presso gli amatori dell’alta fedeltà? Sicuramente l’innovazione tecnologica che apportano i Mosfet al carburo di silicio sono rilevanti e, probabilmente, i finali di potenza prodotti in Italia sono gli unici al mondo. I dispositivi a SiC consentono di ottenere notevoli velocità di funzionamento e di commutazione, capacità minime di ingresso e di uscita e temperature operative relativamente fredde. Queste caratteristiche consentono di non modificare il segnale audio, restituendo un grande realismo alla musica. Normalmente gli stadi finali lavorano in simmetria quasi-complementare, in classe AB e le particolari configurazioni permettono di eliminare l’effetto Miller locale, per una eccellente linearità, specialmente alle alte frequenze. Il valore della resistenza tra i terminali Drain e Source di un Mosfet in stato di ON è il parametro Rds(on) e più è basso tale valore, minore è la perdita di potenza. Le capacità dei terminali influenzano negativamente le prestazioni di un Mosfet di potenza. A un valore più basso corrispondono migliori performance del dispositivo. I Mosfet SiC sono circa 10 volte più veloci di quelli al silicio. Anche per questo motivo essi risultano ideali per la dinamica del segnale audio.

Conclusioni

I Mosfet SiC, in tutti i sistemi e, nella fattispecie, negli amplificatori audio, apportano solo benefici. Con una ottima capacità di gestione delle temperature molto elevate essi garantiscono egregiamente il problema termico, per una migliore affidabilità dell’intero sistema. Le basse temperature di funzionamento consentono di ottenere circuiti molto piccoli e compatti, per un ingombro e un peso minori. L’efficienza dell’intero sistema è, dunque, molto più elevata, per consumi, performance e qualità nettamente superiori.

Giovanni Di Maria
Appassionato fin da piccolo di elettronica, matematica e fai da te, Giovanni è programmatore, insegnante di informatica e matematica. Ama i numeri ed è sempre alla ricerca di grandi numeri primi. Giovanni è autore di un libro sulla programmazione del microcontrollore PIC 16F84 con mikroBasic. Giovanni è il titolare dell’azienda di elettronica e informatica ElektroSoft, si occupa di formazione, insegnamento e redazione di articoli tecnici a tempo pieno.