Audio27 de febrero de 202610 min de lectura

Diseño de amplificador de audio: potencia, impedancia y ruido

Una guía práctica para diseñar las etapas de los amplificadores de audio: calcular la potencia de salida, ajustar la impedancia de los altavoces, gestionar el nivel de ruido mínimo y elegir entre la clase AB y la clase D.

Fundamentos del amplificador de potencia

Un amplificador de potencia de audio toma una señal de línea de bajo nivel (normalmente 1 Vrms, 0 dBV) y acciona un altavoz (4-8 Ω) para producir una salida acústica. El principal desafío es entregar de decenas a cientos de vatios y, al mismo tiempo, mantener una baja distorsión y una alta eficiencia.

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Cálculos de potencia de salida

Potencia de salida máxima para un amplificador de clase AB:

P_{max} = \frac{V_{peak}^2}{2 R_L}

donde

V_{peak} \approx 0.9 V_{supply}

(la clase AB normalmente oscila dentro del 10% de los rieles).

Para una alimentación de ±18 V (36 V dual) a 8 Ω:

P_{max} = \frac{(0.9 \times 18)^2}{2 \times 8} = \frac{262}{16} = 16.4\,\text{W per channel}

Utilice la [calculadora de recorte del amplificador] (/calculators/audio/amplifier-clipping) para encontrar la tensión máxima y la potencia de corte.

Usa la [calculadora de ganancia del amplificador de potencia] (/calculators/audio/power-amplifier-gain) para verificar la ganancia de voltaje (normalmente de 26 a 34 dB en los amplificadores de potencia).

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Adaptación de impedancia de altavoz

Los amplificadores se clasifican según cargas específicas. Operar con una impedancia más baja consume más corriente:

I_{peak} = \frac{V_{peak}}{Z_{speaker}}

Un amplificador de 100 W/8 Ω produce el pico

V_{peak} = \sqrt{2 \times 100 \times 8} = 40V

. En 4 Ω con el mismo voltaje, la potencia se duplica hasta alcanzar los 200 W, pero la corriente también se duplica hasta alcanzar un pico de 10 A. Los transistores de salida deben soportar esto.

La sensibilidad del bocino determina el volumen con el que se reproducirá con una potencia determinada:

\text{SPL} = S + 10 \log_{10}(P) - 20 \log_{10}(d)

donde

S

es la sensibilidad en dB/W/m. Un altavoz de 90 dB/W/m a 100 W produce 110 dB SPL a 1 m.

Usa la [calculadora de sensibilidad del altavoz] (/calculators/audio/speaker-sensitivity) para predecir el SPL a distancia de escucha.

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Comparación de clases de amplificadores

Clase	Corriente de reposo	Eficiencia	Distorsión	Ideal para
A	Alto (igual al pico)	25— 50%	Muy bajo	Auriculares de alta fidelidad
AB	Bajo	50— 70%	Bajo	Audio doméstico
D	~0	85— 98%	Bajo (con retroalimentación)	Portátil, automotriz
G/H	Bajo	60— 80%	Bajo	Audio doméstico de alta potencia

Clase AB: el estándar

La clase AB funciona con una pequeña corriente de reposo para eliminar la distorsión cruzada, a la vez que ofrece una eficiencia mejor que la de los transistores de salida de la clase A. Los transistores de salida están inactivos a una velocidad de 10 a 50 mA cada uno.

La disipación de potencia con la salida máxima es, de hecho, inferior a la de la mitad de la potencia (contrariamente a la intuición). En el peor de los casos, la disipación se produce en $V_{out} = 0.64 V_{supply}$ .

Clase D: La opción moderna

La clase D usa PWM para encender o apagar completamente los transistores de salida. Eficiencia típica: 85— 95%.

Utilice la [calculadora de eficiencia de clase D] (/calculators/audio/class-d-efficiency) para estimar la eficiencia a partir del MOSFET RDS (encendido) y la corriente de reposo.

Ventajas y desventajas: Requiere un filtro LC de salida (aumenta el coste y el tamaño), la EMI proviene de la frecuencia de conmutación, por lo que puede requerir un diseño cuidadoso. Los circuitos integrados de clase D (TPA3116, MAX9744) incluyen el filtro y gestionan la mayor parte de la complejidad.

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Amplificadores de auriculares

Los amplificadores de auriculares se enfrentan a un problema de diseño diferente: impulsan cargas de alta impedancia (32—600 Ω) a partir de una tensión de alimentación baja.

Potencia requerida para un SPL de 110 dB con un auricular de 300 Ω/100 dB/mW:

P_{req} = 10^{(110-100)/10} = 10\,\text{mW}

V_{rms} = \sqrt{P \times Z} = \sqrt{0.01 \times 300} = 1.73\,\text{V}

Usa la [calculadora de potencia de los auriculares] (/calculators/audio/headphone-power) para calcular el voltaje y la corriente requeridos a partir de las especificaciones de los auriculares.

La impedancia de salida es importante: para obtener una desviación mínima de la respuesta de frecuencia, la impedancia de salida del amplificador debe ser inferior a 1/8 de la impedancia de los auriculares. Para latas de 32 Ω, conserva

Z_{out} < 4\Omega

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Noise Floor y SNR

El nivel de ruido determina el rango dinámico del amplificador. Para un sistema de audio:

\text{SNR} = \frac{V_{signal,max}}{V_{noise,RMS}}

Una SNR de 120 dB (tecnología de última generación) significa que el ruido es 1 millón de veces menor que el de una señal a escala real.

Fuentes de ruido

1. Ruido de Johnson en las resistencias: $V_n = \sqrt{4kTRB}$ 2. Ruido de entrada de amplificador operacional: especificado como ruido de voltaje de nV/√Hz + ruido de corriente de Pa/√Hz 3. Ruido de la fuente de alimentación: debe estar bien filtrado; utilice un filtro LC más un condensador local

Usa la [calculadora de SNR de audio] (/calculators/audio/audio-snr) para calcular la SNR a partir de los niveles de señal y ruido.

Selección de amplificadores operacionales para audio

Para preamplificadores de audio:

NE5532: clásico, silencioso (5 nV/√Hz), económico
OPA2134: entrada JFET, distorsión muy baja, 8 nV/√Hz
LM4562: 2,7 nV/√Hz, excelente para etapas de precisión

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Circuitos de protección

Cada amplificador de potencia necesita:

1. Protección de compensación de CC: relé que desconecta el altavoz si la compensación de CC supera los ~50-100 mV. Protege el altavoz de la corriente continua.

2. Protección térmica: termistor en el disipador térmico que reduce la ganancia o se desconecta si la temperatura supera los 80 °C.

3. Protección contra cortocircuitos: limitador de corriente (reduzca la unidad si es $I > I_{max}$ ) o fusibles en la salida.

4. Condensador de protección del tweeter: filtro de paso alto de primer orden para bloquear las bajas frecuencias del tweeter.

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Lista de verificación de diseño práctico

[] Calcule la potencia máxima de salida a partir de la tensión de alimentación y la impedancia de carga
[] Verifique la corriente nominal del transistor/circuito integrado (1,5 veces de pico)
[] Calcule la ganancia (normalmente de 26 a 34 dB, establecida según la relación de resistencia)
[] Compruebe la velocidad de respuesta para un ancho de banda de máxima potencia ≥ 20 kHz
[] Tamaño del disipador térmico: P_Disipación a 1/3 de su potencia máxima (el peor de los casos para AB)
[] Compruebe la SNR > 90 dB (nivel de ruido inferior a −90 dBV)
[] Añada un relé de protección de corriente continua
[] Desacople los rieles de suministro localmente (cerámica de 10 μF + 100 nF)

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