Amplificadores A...T
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  • 1. Harry Baggen ESTO ES CLASE... amplificadores de audio, de la A a la T El amplificador final es la fuente de potencia de toda instalación de audio. Su trabajo consiste en convertir una pequeña señal alterna en una señal potente, adecuada para poder trabajar con unos altavoces, con una distorsión lo más pequeña posible. A lo largo de los años, desde la invención de los sistemas de audio electrónicos, los diseñadores se han enfrentado a este problema aportando diferentes soluciones. Todo empezó con los amplificadores de Clase A...
  • 2. Un poco más de ruido, una gran cantidad de potencia adicional Para mucha gente, la cantidad de potencia que un amplificador puede producir es un factor impor- tante a la hora de juzgar sus características (¡Ah!, ¿su amplificador le proporciona 2 x 40 vatios?, ¡el mío da 2 x 70!). Pero en la práctica, la potencia sólo juega un papel de menor importancia. Podemos generar una gran cantidad de ruido con tan sólo aumentar un poquito la potencia. Si utili- zamos un conjunto de altavoces que puede proporcionar un nivel de presión de sonido de 86 dB con 1 vatio (lo cual es un valor que establecen frecuentemente los fabricantes en las especificaciones de los altavoces), este mismo sistema podría trabajar con 90 dB con tan sólo 2,5 vatios. Con 25 vatios tendremos potencia suficiente para alcanzar los 100 dB. Esto ya es una potencia bastante más sería (y también más perjudicial para nuestros oídos). Nuestros oídos perciben cada incremento de 6 dB en el nivel de presión de sonido como si se hubie- se doblado el nivel de volumen de dicho sonido, pero esto requiere a su vez un incremento de la potencia en un factor de 4. Esto significa que si realmente queremos disponer de un amplificador final más grande, con más potencia de la que actualmente tiene, necesitaremos un amplificador que sea capaz de proporcionar, como mínimo, cuatro veces la potencia actual, para que notemos una diferencia apreciable. Generar una gran cantidad de potencia no es una tarea sencilla ramente, las propiedades específicas de los componentes semi- para un amplificador. Para proporcionar suficiente potencia a los conductores que van a usarse. Si tuviésemos que trabajar con altavoces conectados al amplificador es necesario realizar una transistores bipolares o FETs quot;idealesquot; sería mucho más fácil lle- amplificación de tensión y una amplificación de corriente. Esto gar a construir buenos amplificadores. Por desgracia, todos los se debe a que los altavoces tienen una eficiencia de un porcentaje componentes semiconductores adolecen de una no linealidad en bastante reducido, lo que significa que necesitaremos generar sus características de amplificación, lo que produce a su vez pro- una cantidad de vatios relativamente grande, si queremos obtener blemas mayores, especialmente cuando se trata del procesa- un nivel de presión de sonido adecuado en nuestro salón. En el miento de señales analógicas. Este problema se puede minimizar caso de la realización de conciertos y eventos al aire libre, se utilizando lazos de realimentación dimensionados adecuada- requiere bastante más presión de sonido, lo que equivale a que la mente. También se producen otros efectos desagradables que potencia necesaria pueda alcanzar fácilmente la cantidad de dependen de la configuración seleccionada, como puede ser el varios kilovatios. Para producir una amplificación de potencia en problema de la distorsión de cruce. un amplificador final se han desarrollado varios conceptos en los Especialmente con los grandes amplificadores, la generación que se utilizan transistores normales bipolares o transistores de calor es otro factor que debe tenerse muy en cuenta. Esto FETs para generar señal de salida de alta calidad y/o mejorar la nos puede llevar a efectos a térmicos de gran alcance, tales eficiencia de la etapa de salida. (en este caso dejamos a como descontrol de la configuración de la corriente de reposo un lado los amplificadores a válvulas). y la distorsión térmica de modulación. Cuando diseñamos una etapa de Los amplificadores finales están clasificados normalmente de salida el diseñador debe acuerdo a la configuración de su etapa de salida. Esta confi- tener en cuenta, guración determina en gran medida su eficiencia y su calidad, muy cla- y la etapa de salida es donde tiene lugar la verdadera amplifi- cación de potencia. Las distintas configuraciones de amplificadores que pueden diseñarse utilizan letras del alfabeto, aunque dichas letras no dicen nada sobre cómo trabajan dichos amplificadores. Así, todo empieza con la primera letra del alfabeto. 33
  • 3. Figura 1. Un amplificador de +UB Clase A Clase A tiene muy Vamos a comenzar con la configuración más sencilla, el amplifi- baja eficiencia, +UB cador final de Clase A, el cual es una de las mejores configura- pero está totalmente ciones que podemos utilizar para reproducción de audio de alta libre de distorsión de cruce. calidad. En su forma más básica, esta configuración puede RL implementarse utilizando un seguidor de emisor estándar (ver Figura 1). La corriente de reposo a través del transistor es igual a 0 la corriente de salida de pico en alterna (AC), lo que significa que el transistor está alimentado a la mitad de su rango de trabajo y sencillamente conduce más o menos corriente en función de 040102 - 11 una corriente alterna de control. La eficiencia de este amplifica- dor es bastante baja: de un 25% con una amplitud de salida Figura 2. En una +UB máxima, e incluso menos con niveles bajos de señal. Podemos configuración en mejorar la eficiencia utilizando un diseño con alimentación simé- +UB Clase B cada trica que utilice dos transistores. Pero incluso en este caso, la efi- transistor conduce +UB ciencia más alta que se puede alcanzar es tan sólo del 50 %. durante la mitad de un ciclo de la onda senoidal. En este RL Clase B modelo de La configuración de un amplificador en Clase B utiliza dos amplificador el transistores, cada uno de los cuales conduce durante exacta- problema aparece -UB mente la mitad de un ciclo de la señal de entrada (ver Figura en las cercanías del 2). En el estado de reposo, no circula ninguna corriente a tra- -UB punto de paso por vés de los transistores. La eficiencia de una etapa de salida en cero. 040102 - 12 Clase B esta próxima al 78%, pero la principal desventaja de -UB esta configuración es la quot;distorsión de transferenciaquot; que se produce cada vez que la carga debe transferir señal de un Figura 3. Los transistor al otro. Esto nos lleva al problema de la distorsión amplificadores en de cruce, el cual produce una degradación bastante audible de +UB var Clase G utilizan una la forma de onda de la señal. fuente de Para solucionar este problema, los amplificadores en Clase A alimentación y los de Clase B se pueden combinar para producir amplifica- enganchada cuya dores en Clase AB. Esta nueva configuración equivale a una tensión se ajusta configuración en Clase B en la que se permite que circule una continuamente para Detección RL Fuente de pequeña corriente de reposo a través de los transistores, lo de Señal Alimentación adaptarse a la Enganchada que provoca que la etapa de salida se comporte como si traba- amplitud de la señal. jase en Clase A con niveles bajos de potencia. Esta aproxima- ción se utiliza actualmente de varias formas en una gran can- tidad de amplificadores finales. La eficiencia de esta nueva configuración permanece aproximadamente igual a la de 34 -UB var 040102 - 13 Figura 4. Los amplificadores en UB2 Clase H se limitan ellos mismos a conmutar entre varias fuentes de UB1 tensión diferentes (en este caso dos). RL Electrónica de control UB1 UB2 040102 - 14
  • 4. Clase B. con alta frecuencia, Clase D son tan amplificadores de Clase G y H, los cuales tienen una caracte- lo que significa que, diferentes de rística importante en común. Dicha característica es que en más o menos, quedan los amplificadores en ambas clases, la tensión de alimentación se ajusta de acuerdo Clase G y H fuera del objetivo Clase A y Clase B que al tamaño de la señal de salida. En una configuración en ¡Alto, un momento! ¿No nos estamos inicial que nos hemos decidido Clase G (ver Figura 3), la tensión de alimentación se ajusta de saltando algunas clases propusimos en este tratarlos de manera manera continua, para adaptarse a la amplitud deseada de la de amplificación? Claro que sí, pero lo artículo. Por otra parte, separada. Por todo señal de salida. Este quot;seguimientoquot; de la tensión de alimenta- hemos hecho a propó- los esto, nos van a permi- sito. Las Clases C, E y F también existen, diseños de tir que echemos en pero actualmente amplificadores en primer lugar una elektor sólo son adecuadas para amplificaciones pequeña ojeada a los
  • 5. +UB Figura 5. Un amplificador de Clase D está formado por un modulador de ancho de pulso con Comparador una etapa de salida RL Inversor de potencia y un filtro paso/bajo. -UB Generador de Onda Triangular 040102 - 15 ción se puede implementar relativamente fácil utilizando las Esto se hace utilizando frecuencias de conmutación de valo- fuentes de alimentación modernas conmutada aunque, claro res muy elevadas, normalmente 10 veces, como mínimo, más está, también es importante disponer de un buen circuito altas que el ancho de banda de audio (lo que significa un regulador que permita que la tensión de alimentación res- valor de 200 kHz o superior). ponda suficientemente rápido a los cambios de la amplitud en Con esta forma de modulación, el ancho de pulsos depende la señal generada por la etapa de salida. del nivel de la señal de entrada. Si colocamos un filtro En una configuración en Clase H (ver Figura 4), lo que sucede paso/bajo después de la etapa de salida, la señal de ancho de es esencialmente lo mismo que en una configuración en Clase pulsos es integrada y lo que queda es una señal analógica con G, excepto en el detalle de que la tensión de alimentación se la misma forma que la señal de entrada pero, por supuesto, conmuta entre diferentes niveles de tensión distintos (normal- amplificada. mente dos) en lugar de realizar una variación continua. Esto Como la etapa de salida sólo tiene que conmutar, su eficiencia permite que la disipación de la etapa de salida se pueda reducir es muy elevada. Sin embargo, también existe un cierto de manera considerable, especialmente cuando estamos traba- número de desventajas en este comportamiento. Es bastante jando con grandes cantidades de potencias de salida. más difícil conseguir que la forma de onda de la señal esté libre de distorsión, por lo que se requiere un filtro de salida robusto y se tienen que tomar medidas más drásticas para Clase D limitar la radiación de interferencias. Para una amplificación Con una configuración de amplificador en Clase D, la letra con baja distorsión siempre es necesario utilizar un lazo de “D”no tienen nada que ver con algo como quot;digitalquot; (esto es tan realimentación negativa (analógico o digital). sólo una coincidencia). Este tipo de amplificador hace referen- cia a un amplificador de conmutación que utiliza modulación de ancho de pulsos (ver Figura 5). La señal de entrada se com- Clases S y T para con una forma de onda triangular y la señal proveniente Aunque el principio de funcionamiento de un amplificador en del comparador conmuta la etapa de salida para trabajar con Clase D tiene ya una antigüedad de varias décadas, nunca llegó una tensión de alimentación positiva o negativa. a ser considerada una aplicación de alta fidelidad verdadera- Figura 6. Diagrama de bloques de un amplificador Recuperación del Generación de Control de Master-S de la casa Ciclo de Muestreo Reloj Maestro Altura de Pulso Entrada de Sony. Datos Pulso de Audio Numérica de salida Conversión a Conversión Generación de Controlador de Alta Velocidad de Datos Pulso de Audio Pulso de de Muestreo a PLM de Alta Precisión Alta Potencia Borrado del Ciclo de Datos S-TACT Control de Altura de Pulso elektor 040102 - 16
  • 6. 35
  • 7. Figura 7. El amplificador Clase T de tres caminos Procesador de Acondicionamiento Adaptativo de la Señal es una elaboración “inteligente” del Procesamiento Predictivo Salida de principio de Entrada Potencia funcionamiento del del y Amplificador Control de Detección Lógica amplificador en Silencio de Sobrecarga de Cualificación Clase D. En este amplificador, un Detección Conversión de Fallo Digital procesador monitoriza constantemente la Generación señal de entrada y de Tensión ajusta las señales 040102 - 17 de conmutación. 36 mente establecida. Esto se debió principalmente a la distorsión excesiva y a las fugas de los componentes semiconductores buenos (transistores FETs de potencia rápidos). Mientras tanto, distintos fabricantes han desarrollado variantes de este tema y, en muchos casos, les han dado su propia designación. Así, por ejemplo, la casa Crown llegó a desarrollar su amplificador en Clase I; mientras que la casa Sony desarrollo su tecnología S- Master; y la casa Tripath diseñó su amplificador en clase T. Por desgracia, la graciosa secuencia alfanumérica ha sido abando- nada en favor de las distintas designacioones generadas por los fabricantes específicos. En su tecnología S-Master, la casa Sony combinó distintas técnicas para conseguir obtener una configuración de amplificador en Clase D adecuado para apli- caciones de alta fidelidad doméstica. En este caso, el proceso de convertir la señal entrante en su correspondiente señal de ancho de pulso, se denomina quot;modulación por longitud de pulso complementario” (C-PLM, del inglés “complementary pulse length modulation”). Se puso una atención especial en la supresión de pequeños picos esporádicos. Esto se consiguió uti- lizando una señal de reloj extremadamente precisa y un circuito denominado “clean data cycle” (es decir, “borrado del ciclo de dato”), que corrige el posicionamiento de los pulsos de salida si fuese necesario (ver Figura 6). El método utilizado para implementar el control de volumen es verdaderamente una característica poco habitual del com- portamiento de la casa Sony. En un diseño de amplificador normal en Clase D, la forma de onda de pulso completo esta siempre presente en la salida, con una amplitud comprendida entre 50 y 100 V pico a pico. Con señales de salida muy pequeñas en particular, es muy difícil eliminar completamente todas las componentes residuales de la forma de onda de pulso proveniente de la señal filtrada. En el diseño de la casa Sony, el volumen se regula a través del ajuste de la tensión de alimentación para la etapa de salida. Esto evita que cualquier información pueda llegar a perderse con niveles de señal bajos. Esta técnica tiene un rango efectivo de 50 dBs. Otra compañía diferente, Tripath, ha desarrollado una técnica que, de acuerdo con ellos, combina la calidad de una señal de un amplificador en Clase A con la eficiencia de los amplificadores en Clase AB (en torno al 80 ó 90%). Esto se hace utilizando una combinación de una circuitería analógica y digital, junto con algoritmos digitales que modulan la señal de entrada utilizando formas de onda de conmutación de alta frecuencia. Los algorit- mos desarrollados por la casa Tripath han derivado de algorit- mos adaptativos y predictivos ya utilizados en sistemas de tele-
  • 8. de salida se almacena en primer lugar por medio de una etapa de impresión de sonido que recordarán los oyentes aficionados a entrada. A partir de aquí la señal pasa a un bloque de Procesa- los amplificadores analógicos de audio. miento Digital de Potencia que contiene el procesador de señal, comunicación. Con una función de conversión digital, una conmutación de silencio el amplificador de (“mute”), una protección de sobrecarga y una detección de error. El futuro la casa Tripath, la El constante avance del audio digital ha hecho posible que mayor La etapa de salida se controla por medio de una línea lógica de parte de los circuitos cualificación y los altavoces se conectan a un filtro colocado a podamos encontrar últimamente alguna etapa de salida de analógicos y digitales continuación de la etapa de salida. forma digital en muchos amplificadores de gran consumo. Gracias a sus algoritmos especiales, el procesador de un Esto es debido a que disponen de una eficiencia más elevada, están alojados en un amplificador en Clase T está adaptado de manera continua a un tamaño más reducido y un coste de fabricación mucho más único circuito la magnitud de la señal de entrada. Con niveles bajos de bajo. Es difícil estimar si estos desarrollos también llegarán a integrado, el cual entrada, la frecuencia de conmutación es bastante elevada prevalecer en el reino de la alta calidad. Por ahora, tan sólo también puede (alrededor de 1,2 MHz). Esto tiene un efecto beneficioso en la están presentes en el mercado una pequeña cantidad de ampli- incluir los tran- calidad de la señal. La frecuencia de conmutación cae de ficadores digitales de alta fidelidad. Pero si queremos inten- sistores de salida manera gradual a medida que se incrementa el nivel de tarlo por nosotros mismos, podemos comenzar montando el (dependiendo de la entrada, de manera que se puede incrementar su eficiencia. La amplificador Clarity que se describe en uno de los artículos potencia). El diagrama frecuencia de conmutación última alcanza su valor más bajo de este número. de (alrededor de 200 kHz) cuando la salida está controlada por (040102-1) bloques de este amplificador se una amplitud máxima. A pesar de esto, un tipo de forma de muestra en la ruido se aplica al pico de la señal de salida para mejorar la Figura 7. La señal forma de onda de la señal. Como resultado de todas estas elektor medidas, el amplificador en Clase T puede proporcionar una