Harry Baggen

ESTO ES CLASE...amplificadores de audio, de la A a la T

El amplificador final es la fuente de potencia de todainstalación de audio. Su trabajo consiste en convertir unapequeña señal alterna en una señal potente, adecuada parapoder trabajar con unos altavoces, con una distorsión lo máspequeña posible. A lo largo de los años, desde la invenciónde los sistemas de audio electrónicos, los diseñadores se hanenfrentado a este problema aportando diferentes soluciones.Todo empezó con los amplificadores de Clase A...

Un poco más de ruido, una grancantidad de potencia adicionalPara 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?, ¡elmío 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 con1 vatio (lo cual es un valor que establecen frecuentemente los fabricantes en las especificaciones delos altavoces), este mismo sistema podría trabajar con 90 dB con tan sólo 2,5 vatios. Con 25 vatiostendremos 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 lapotencia en un factor de 4. Esto significa que si realmente queremos disponer de un amplificadorfinal más grande, con más potencia de la que actualmente tiene, necesitaremos un amplificador quesea capaz de proporcionar, como mínimo, cuatro veces la potencia actual, para que notemos unadiferencia apreciable.

Generar una gran cantidad de potencia no es una tarea sencillapara un amplificador. Para proporcionar suficiente potencia a losaltavoces conectados al amplificador es necesario realizar unaamplificación de tensión y una amplificación de corriente. Estose debe a que los altavoces tienen una eficiencia de un porcentajebastante reducido, lo que significa que necesitaremos generaruna cantidad de vatios relativamente grande, si queremos obtenerun nivel de presión de sonido adecuado en nuestro salón. En elcaso de la realización de conciertos y eventos al aire libre, serequiere bastante más presión de sonido, lo que equivale a que lapotencia necesaria pueda alcanzar fácilmente la cantidad devarios kilovatios. Para producir una amplificación de potencia enun amplificador final se han desarrollado varios conceptos en losque se utilizan transistores normales bipolares o transistores

FETs para generar señal de salida de alta calidad y/o mejorar laeficiencia de la etapa de salida. (en este caso dejamos a

un lado los amplificadores a válvulas).Cuando diseñamos una etapa de

salida el diseñador debetener en cuenta,

muy cla-

ramente, las propiedades específicas de los componentes semi-conductores que van a usarse. Si tuviésemos que trabajar contransistores bipolares o FETs "ideales" sería mucho más fácil lle-gar a construir buenos amplificadores. Por desgracia, todos loscomponentes semiconductores adolecen de una no linealidad ensus características de amplificación, lo que produce a su vez pro-blemas mayores, especialmente cuando se trata del procesa-miento de señales analógicas. Este problema se puede minimizarutilizando lazos de realimentación dimensionados adecuada-mente. También se producen otros efectos desagradables quedependen de la configuración seleccionada, como puede ser elproblema de la distorsión de cruce.Especialmente con los grandes amplificadores, la generaciónde calor es otro factor que debe tenerse muy en cuenta. Estonos puede llevar a efectos a térmicos de gran alcance, talescomo descontrol de la configuración de la corriente de reposoy la distorsión térmica de modulación.Los amplificadores finales están clasificados normalmente deacuerdo a la configuración de su etapa de salida. Esta confi-guración determina en gran medida su eficiencia y su calidad,y la etapa de salida es donde tiene lugar la verdadera amplifi-cación de potencia.

Las distintas configuraciones de amplificadores que puedendiseñarse utilizan letras del alfabeto, aunque dichas

letras no dicen nada sobre cómo trabajandichos amplificadores. Así, todo

empieza con la primeraletra del alfabeto.

33

Figura 1. Un

amplificador de

Clase A tiene muy

baja eficiencia,

pero está totalmente

libre de distorsión

de cruce.

Figura 2. En una

configuración en

Clase B cada

transistor conduce

durante la mitad de

un ciclo de la onda

senoidal. En este

modelo de

amplificador elproblema aparece

en las cercanías del

punto de paso por

cero.

Figura 3. Los

amplificadores en

Clase G utilizan una

fuente de

alimentación

enganchada cuya

tensión se ajusta

+UB

+UB

-UB

+UB

RL

0

040102 - 11

+UB

RL

-UB

+UB

-UB

+UB var

040102 - 12

Clase AVamos a comenzar con la configuración más sencilla, el amplifi-cador final de Clase A, el cual es una de las mejores configura-ciones que podemos utilizar para reproducción de audio de altacalidad. En su forma más básica, esta configuración puedeimplementarse utilizando un seguidor de emisor estándar (verFigura 1). La corriente de reposo a través del transistor es igual ala corriente de salida de pico en alterna (AC), lo que significaque el transistor está alimentado a la mitad de su rango de trabajoy sencillamente conduce más o menos corriente en función deuna corriente alterna de control. La eficiencia de este amplifica-dor es bastante baja: de un 25% con una amplitud de salidamáxima, e incluso menos con niveles bajos de señal. Podemosmejorar la eficiencia utilizando un diseño con alimentación simé-trica que utilice dos transistores. Pero incluso en este caso, la efi-ciencia más alta que se puede alcanzar es tan sólo del 50 %.

Clase BLa configuración de un amplificador en Clase B utiliza dostransistores, cada uno de los cuales conduce durante exacta-mente la mitad de un ciclo de la señal de entrada (ver Figura2). En el estado de reposo, no circula ninguna corriente a tra-vés de los transistores. La eficiencia de una etapa de salida enClase B esta próxima al 78%, pero la principal desventaja deesta configuración es la "distorsión de transferencia" que seproduce cada vez que la carga debe transferir señal de untransistor al otro. Esto nos lleva al problema de la distorsiónde cruce, el cual produce una degradación bastante audible dela forma de onda de la señal.Para solucionar este problema, los amplificadores en Clase Ay los de Clase B se pueden combinar para producir amplifica-dores en Clase AB. Esta nueva configuración equivale a unaconfiguración en Clase B en la que se permite que circule una

continuamente paraadaptarse a la

amplitud de la señal.

Detecciónde Señal

RLFuente de

AlimentaciónEnganchada

pequeña corriente de reposo a través de los transistores, loque provoca que la etapa de salida se comporte como si traba-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 nuevaconfiguración permanece aproximadamente igual a la de

Figura 4. Losamplificadores en

Clase H se limitan

ellos mismos a

conmutar entre

varias fuentes de

tensión diferentes

(en este caso dos).

34

Electrónicade control

-UB var 040102 - 13

UB2

UB1

RL

UB1

UB2

040102 - 14

Clase B.

Clase G y H¡Alto, un momento! ¿No nos estamos saltando algunas clasesde amplificación? Claro que sí, pero lo hemos hecho a propó-sito. Las Clases C, E y F también existen, pero actualmentesólo son adecuadas para amplificaciones con alta frecuencia,lo que significa que, más o menos, quedan fuera del objetivoinicial que nos propusimos en este artículo. Por otra parte, losdiseños de amplificadores en Clase D son tan diferentes delos amplificadores en Clase A y Clase B que hemos decididotratarlos de manera separada. Por todo esto, nos van a permi-tir que echemos en primer lugar una pequeña ojeada a losamplificadores de Clase G y H, los cuales tienen una caracte-rística importante en común. Dicha característica es que enambas clases, la tensión de alimentación se ajusta de acuerdoal tamaño de la señal de salida. En una configuración enClase G (ver Figura 3), la tensión de alimentación se ajusta demanera continua, para adaptarse a la amplitud deseada de laseñal de salida. Este "seguimiento" de la tensión de alimenta-

elektor

Comparador

Generador deOnda

Triangular

Inversor

+UB

-UB

040102 - 15

RL

Figura 5. Unamplificador deClase D estáformado por unmodulador deancho de pulso conuna etapa de salidade potencia y unfiltro paso/bajo.

ción se puede implementar relativamente fácil utilizando lasfuentes de alimentación modernas conmutada aunque, claroestá, también es importante disponer de un buen circuitoregulador que permita que la tensión de alimentación res-ponda suficientemente rápido a los cambios de la amplitud enla señal generada por la etapa de salida.En una configuración en Clase H (ver Figura 4), lo que sucedees esencialmente lo mismo que en una configuración en ClaseG, excepto en el detalle de que la tensión de alimentación seconmuta entre diferentes niveles de tensión distintos (normal-mente dos) en lugar de realizar una variación continua. Estopermite que la disipación de la etapa de salida se pueda reducirde manera considerable, especialmente cuando estamos traba-jando con grandes cantidades de potencias de salida.

Clase DCon una configuración de amplificador en Clase D, la letra“D”no tienen nada que ver con algo como "digital" (esto es tansólo una coincidencia). Este tipo de amplificador hace referen-cia a un amplificador de conmutación que utiliza modulaciónde ancho de pulsos (ver Figura 5). La señal de entrada se com-para con una forma de onda triangular y la señal provenientedel comparador conmuta la etapa de salida para trabajar conuna tensión de alimentación positiva o negativa.

Esto se hace utilizando frecuencias de conmutación de valo-res muy elevadas, normalmente 10 veces, como mínimo, másaltas que el ancho de banda de audio (lo que significa unvalor de 200 kHz o superior).Con esta forma de modulación, el ancho de pulsos dependedel nivel de la señal de entrada. Si colocamos un filtropaso/bajo después de la etapa de salida, la señal de ancho depulsos es integrada y lo que queda es una señal analógica conla misma forma que la señal de entrada pero, por supuesto,amplificada.Como la etapa de salida sólo tiene que conmutar, su eficienciaes muy elevada. Sin embargo, también existe un ciertonúmero de desventajas en este comportamiento. Es bastantemás difícil conseguir que la forma de onda de la señal estélibre de distorsión, por lo que se requiere un filtro de salidarobusto y se tienen que tomar medidas más drásticas paralimitar la radiación de interferencias. Para una amplificacióncon baja distorsión siempre es necesario utilizar un lazo derealimentación negativa (analógico o digital).

Clases S y TAunque el principio de funcionamiento de un amplificador enClase D tiene ya una antigüedad de varias décadas, nunca llegóa ser considerada una aplicación de alta fidelidad verdadera-

Figura 6. Diagrama

de bloques de unamplificador

Entrada deDatos

Numérica

Recuperación delCiclo de Muestreo

Conversión aAlta Velocidad

de Muestreo

Borrado del Ciclo de Datos

Conversiónde Datos

a PLM

Generación deReloj Maestro

Generación dePulso de Audiode Alta Precisión

S-TACT

Control deAltura de Pulso

Controlador dePulso de

Alta Potencia

Control de Altura de Pulso

Pulso de Audiode salida

Master-S de la casaSony.

elektor

040102 - 16

35

Figura 7. Elamplificador Clase

T de tres caminos

es una elaboración

“inteligente” del

principio de

funcionamiento delamplificador enClase D. En esteamplificador, un

procesadormonitoriza

constantemente laseñal de entrada y

ajusta las señalesde conmutación.

Entrada

del

Amplificador

Procesador de AcondicionamientoAdaptativo de la Señal

Procesamiento Predictivo

Control de DetecciónSilencio de Sobrecarga

Detección Conversiónde Fallo Digital

Generaciónde Tensión

Salidade

Potenciay

Lógicade

Cualificación

040102 - 17

36

mente establecida. Esto se debió principalmente a la distorsiónexcesiva y a las fugas de los componentes semiconductoresbuenos (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, porejemplo, la casa Crown llegó a desarrollar su amplificador enClase I; mientras que la casa Sony desarrollo su tecnología S-Master; y la casa Tripath diseñó su amplificador en clase T. Pordesgracia, la graciosa secuencia alfanumérica ha sido abando-nada en favor de las distintas designacioones generadas por losfabricantes específicos. En su tecnología S-Master, la casaSony combinó distintas técnicas para conseguir obtener unaconfiguración de amplificador en Clase D adecuado para apli-caciones de alta fidelidad doméstica. En este caso, el procesode convertir la señal entrante en su correspondiente señal deancho de pulso, se denomina "modulación por longitud depulso complementario” (C-PLM, del inglés “complementarypulse length modulation”). Se puso una atención especial en lasupresión de pequeños picos esporádicos. Esto se consiguió uti-lizando una señal de reloj extremadamente precisa y un circuitodenominado “clean data cycle” (es decir, “borrado del ciclo dedato”), que corrige el posicionamiento de los pulsos de salida sifuese necesario (ver Figura 6).El método utilizado para implementar el control de volumenes verdaderamente una característica poco habitual del com-portamiento de la casa Sony. En un diseño de amplificadornormal en Clase D, la forma de onda de pulso completo estasiempre presente en la salida, con una amplitud comprendidaentre 50 y 100 V pico a pico. Con señales de salida muypequeñas en particular, es muy difícil eliminar completamentetodas las componentes residuales de la forma de onda depulso proveniente de la señal filtrada. En el diseño de la casaSony, el volumen se regula a través del ajuste de la tensión dealimentación para la etapa de salida. Esto evita que cualquierinformación pueda llegar a perderse con niveles de señalbajos. Esta técnica tiene un rango efectivo de 50 dBs.Otra compañía diferente, Tripath, ha desarrollado una técnicaque, de acuerdo con ellos, combina la calidad de una señal de un

amplificador en Clase A con la eficiencia de los amplificadoresen Clase AB (en torno al 80 ó 90%). Esto se hace utilizando unacombinación de una circuitería analógica y digital, junto conalgoritmos digitales que modulan la señal de entrada utilizandoformas 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-

comunicación. Con el amplificador de la casa Tripath, la mayorparte de los circuitos analógicos y digitales están alojados en unúnico circuito integrado, el cual también puede incluir los tran-sistores de salida (dependiendo de la potencia). El diagrama debloques de este amplificador se muestra en la Figura 7. La señalde salida se almacena en primer lugar por medio de una etapa deentrada. A partir de aquí la señal pasa a un bloque de Procesa-miento Digital de Potencia que contiene el procesador de señal,una función de conversión digital, una conmutación de silencio(“mute”), una protección de sobrecarga y una detección de error.La etapa de salida se controla por medio de una línea lógica decualificación y los altavoces se conectan a un filtro colocado acontinuación de la etapa de salida.Gracias a sus algoritmos especiales, el procesador de unamplificador en Clase T está adaptado de manera continua ala magnitud de la señal de entrada. Con niveles bajos deentrada, la frecuencia de conmutación es bastante elevada(alrededor de 1,2 MHz). Esto tiene un efecto beneficioso en lacalidad de la señal. La frecuencia de conmutación cae demanera gradual a medida que se incrementa el nivel deentrada, de manera que se puede incrementar su eficiencia. Lafrecuencia de conmutación última alcanza su valor más bajo(alrededor de 200 kHz) cuando la salida está controlada poruna amplitud máxima. A pesar de esto, un tipo de forma deruido se aplica al pico de la señal de salida para mejorar laforma de onda de la señal. Como resultado de todas estasmedidas, el amplificador en Clase T puede proporcionar unaimpresión de sonido que recordarán los oyentes aficionados alos amplificadores analógicos de audio.

El futuroEl constante avance del audio digital ha hecho posible quepodamos encontrar últimamente alguna etapa de salida deforma digital en muchos amplificadores de gran consumo.Esto es debido a que disponen de una eficiencia más elevada,un tamaño más reducido y un coste de fabricación mucho másbajo. Es difícil estimar si estos desarrollos también llegarán aprevalecer en el reino de la alta calidad. Por ahora, tan sóloestán presentes en el mercado una pequeña cantidad de ampli-ficadores digitales de alta fidelidad. Pero si queremos inten-tarlo por nosotros mismos, podemos comenzar montando elamplificador Clarity que se describe en uno de los artículosde este número.

(040102-1)

elektor