Diseño de amplificador de audio: potencia, impedancia y ruido

Fundamentos del amplificador de potencia

Los amplificadores de potencia de audio hacen algo engañosamente simple: toman una señal débil a nivel de línea (normalmente alrededor de 1 Vrms, que es 0 dBV si llevas la puntuación) e impulsan la carga de un altavoz (normalmente de 4 a 8 Ω ) lo suficientemente fuerte como para mover el aire. El verdadero truco consiste en hacer pasar decenas o incluso cientos de vatios a través de esas bobinas de voz y, al mismo tiempo, mantener la distorsión baja y no convertir el amplificador en un calefactor.

La mayoría de los ingenieros subestiman la cantidad de corriente que necesita mover en la etapa de salida. No se trata solo de la oscilación de voltaje.

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Cálculos de potencia de salida

Hablemos de números. Para un amplificador de clase AB, la potencia de salida máxima sigue esta relación:

En la práctica, en realidad no se puede girar de riel a riel. Los diseños de clase AB suelen estar dentro de aproximadamente el 10% de los rieles de suministro, por lo que $V_{peak} \approx 0.9 V_{supply}$ es una estimación razonable. Empuja más fuerte y empezarás a caerte mal.

Este es un ejemplo práctico con una fuente de ± 18 V (es decir, 36 V en total en los rieles dobles) que impulsa AN 8Ω LOAD:

No es una tonelada de energía, pero es suficiente para monitores de campo cercano o una configuración de dormitorio. Si necesitas averiguar dónde empieza a fallar tu amplificador o cuál es tu oscilación real de tensión máxima, la calculadora de recorte del amplificador te ahorrará algo de álgebra.

La ganancia de voltaje en los amplificadores de potencia suele oscilar entre 26 y 34 dB, suficiente para llevar una señal de nivel de línea hasta los niveles de conducción de los altavoces sin ruido excesivo. Comprueba tu presupuesto de ganancia con la calculadora de ganancia del amplificador de potencia antes de comprometerte con los valores de resistencia.

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Adaptación de impedancia de altavoz

Los amplificadores se clasifican en cargas específicas, y esto importa más de lo que la mayoría de la gente piensa. Si se reduce la impedancia, se le pide a la etapa de salida que genere más corriente para la misma oscilación de voltaje:

Supongamos que tienes un amplificador con una potencia nominal de 100 W en 8Ω. , eso significa que tiene un pico de $V_{peak} = \sqrt{2 \times 100 \times 8} = 40V$. Ahora conecta un altavoz 4Ω . La misma oscilación de voltaje, pero la potencia se duplica hasta los 200 W porque la corriente también se duplica: ahora se obtiene un pico de 10 A a través de esos transistores de salida.

Los transistores tienen que soportar esa corriente o soltarán el humo mágico. Compruebe las curvas del área de operación segura (SOA) de la hoja de datos. He visto demasiadas etapas de producción fritas porque alguien supuso que «probablemente todo saldrá bien».

La sensibilidad del altavoz es la otra mitad de la ecuación de sonoridad. Por lo general, se especifica en dB/W/m, es decir, el volumen de reproducción del altavoz a un metro con un vatio de entrada. El SPL en tu posición de escucha funciona para:

donde $S$ es la clasificación de sensibilidad. Un altavoz típico de 90 dB/W/m con una alimentación de 100 W alcanzará los 110 dB SPL a un metro. Por cierto, es lo suficientemente alto como para causar daños auditivos con bastante rapidez.

¿Quieres predecir qué tan ruidosa será realmente tu configuración? Introduce tus números en la calculadora de sensibilidad de los altavoces y ajústelos a la distancia de escucha real.

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Comparación de clases de amplificadores

Las diferentes topologías de amplificadores suponen diferentes compensaciones. Así es como se comparan:

Clase AB: El estándar

La clase AB es el caballo de batalla de la amplificación de audio. Los transistores de salida se polarizan con una pequeña corriente de reposo (normalmente de 10 a 50 mA por dispositivo), lo suficiente para eliminar la distorsión de cruce que se obtendría con la clase B pura. El resultado es una eficiencia mucho mejor que la de la clase A (que desperdicia energía como si pasara de moda), a la vez que se mantiene la distorsión respetablemente baja.

He aquí algo que hace tropezar a la gente: la disipación de potencia en la clase AB es en realidad inferior a la máxima potencia que a niveles moderados. En el peor de los casos, la disipación se produce alrededor del $V_{out} = 0.64 V_{supply}$, no a plena potencia. Ajuste el tamaño de los disipadores térmicos a esa condición, no a la potencia máxima nominal.

Clase D: la elección moderna

Los amplificadores de clase D utilizan la modulación de ancho de pulso para encender o apagar los transistores de salida. Sin región lineal, sin disipación masiva. La eficiencia típica es del 85 al 95%, por lo que ahora todos los altavoces Bluetooth portátiles y sistemas de audio para automóviles utilizan la clase D.

La Calculadora de eficiencia de clase D calculará su eficiencia en función del MOSFET RDS (encendido) y la corriente de reposo. Las pérdidas de conmutación también son importantes, pero en la mayoría de los diseños con una frecuencia de conmutación inferior a 500 kHz, predominan las pérdidas de conducción.

El truco: necesitas un filtro LC de salida para reconstruir el audio a partir de la señal PWM. Ese filtro añade costes, espacio en la placa y un poco de complejidad al diseño. También generas un hash de RF a la frecuencia de conmutación, lo que implica un diseño cuidadoso de la PCB y, a veces, un filtrado EMI adicional.

Los chips de clase D integrados, como el TPA3116 o el MAX9744, se encargan de la mayor parte de esto por usted: incluyen el filtro de salida y se han optimizado para EMI. A menos que esté creando algo realmente especializado, comience con una solución integrada.

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Amplificadores de auriculares

Los amplificadores de auriculares se enfrentan a un desafío de diseño completamente diferente. Conduce cargas de alta impedancia (desde 32Ω para envases de consumo hasta 600Ω para monitores de estudio) con voltajes de suministro relativamente bajos. La buena noticia es que necesita mucha menos energía. La mala noticia es que la impedancia de salida y el ruido se vuelven mucho más críticos.

Analicemos un ejemplo. Supongamos que quieres unos auriculares A 300Ω con un SPL de 110 dB con una sensibilidad de 100 dB/mW. Potencia requerida:

No es mucha potencia, pero la variación de voltaje es significativa:

Puedes calcularlo para tus auriculares específicos con la Calculadora de potencia de los auriculares. Te indicará los requisitos de voltaje y corriente.

La impedancia de salida es muy importante aquí. La regla general clásica: mantenga la impedancia de salida del amplificador por debajo de 1/8 de la impedancia de los auriculares para evitar desviaciones de la respuesta de frecuencia debido a la interacción de la curva de impedancia. En el caso de los auriculares 32Ω , eso significa $Z_{out} < 4\Omega$. La mayoría de las etapas de salida de los amplificadores operacionales te permiten conseguirlo fácilmente, pero los diseños discretos requieren especial atención a este aspecto.

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Ruise Floor y SNR

El nivel mínimo de ruido establece su límite de rango dinámico. La relación señal/ruido es sencilla:

Un sistema de audio realmente bueno alcanza los 120 dB SNR. Eso es lo último en tecnología: significa que el ruido es literalmente una millonésima parte de la amplitud de una señal a gran escala. La mayoría de los equipos de consumo rondan entre 90 y 100 dB, lo que sigue siendo perfectamente aceptable para la mayoría de las aplicaciones.

Fuentes de ruido

Tres fuentes principales de ruido lo afectarán:

El ruido de Johnson proviene de todas las resistencias de su circuito. Es física fundamental:

donde $k$ es la constante de Boltzmann, $T$ es la temperatura en Kelvin, $R$ es la resistencia y $B$ es el ancho de banda. Una mayor resistencia significa más ruido. Mantenga sus impedancias bajas en las etapas delicadas.

El ruido de entrada del amplificador operacional aparece como ruido de voltaje (especificado en nV/√Hz) ) y ruido de corriente (en pA/√Hz). ). El ruido de voltaje se suma directamente a la señal. El ruido actual fluye a través de la impedancia de la fuente y crea un término de ruido de voltaje proporcional a esa impedancia. Las altas impedancias de la fuente empeoran el ruido actual. Power supply noise will couple into your signal path if you're not careful. Use proper LC filtering on the supply rails and add local bypass capacitors — a 10 μF electrolytic in parallel with a 100 nF ceramic works for most applications. The ceramic handles high-frequency transients while the electrolytic provides bulk capacitance.

La Calculadora de SNR de audio calculará los números si conoces los niveles de señal y ruido.

Selección de amplificador operacional para audio

Para las etapas de preamplificación con bajo nivel de ruido, estos son los sospechosos habituales:

El NE5532 es la elección clásica. Ha existido desde siempre, no cuesta casi nada y ofrece un ruido de entrada de 5 nV/√Hz . La etapa de entrada bipolar significa que verá cierta corriente de polarización de entrada, pero tiene un rendimiento sólido.

El OPA2134 utiliza entradas JFET para una corriente de entrada extremadamente baja y una distorsión muy baja. El ruido de entrada es de 8 nV/√Hz , un poco más alto que el del NE5532, pero las entradas JFET significan que casi no hay ruido de corriente. Ideal para fuentes de alta impedancia.

El LM4562 es el campeón de la reducción de ruido con 2,7 nV/√Hz. Es más caro, pero si necesitas hasta el último dB de SNR, aquí es donde tienes que ir. Los he usado en preamplificadores de medición de precisión en los que el ruido realmente importa.

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Circuitos de protección

Todos los amplificadores de potencia que vayan a usarse en el mundo real necesitan protección. Esto es lo que no puedes saltarte:

La protección de compensación de DC no es negociable. Si la etapa de salida presenta una compensación de corriente continua (tal vez a causa de un fallo en el transistor o de un transitorio de encendido), bombearás corriente continua directamente a través de la bobina de voz del altavoz. Eso lo quemará o, al menos, cambiará la posición del cono y provocará distorsión. Utilice un relé que supervise la salida y desconecte el altavoz si la compensación de corriente continua supera los 50-100 mV. El relé permanece abierto durante uno o dos segundos mientras se enciende para que las cosas se calmen. La protección térmica evita que cocines tus dispositivos de salida. Monte un termistor o un sensor de temperatura en el disipador térmico. Si la temperatura supera los 80 °C, reduce la ganancia o apágalo por completo hasta que las cosas se enfríen. He visto amplificadores sin esto, literalmente, que se desoldan solos de la placa. La protección contra cortocircuitos le ahorra cuando alguien conecta un cable defectuoso o el cable de un altavoz toca el chasis. Implemente un límite de corriente en la fase de salida: si la corriente de salida supera el límite seguro, reduzca la unidad o apáguela. Algunos diseños solo utilizan fusibles de combustión rápida en la salida, lo que funciona, pero significa que hay que reemplazar los fusibles después de cada fallo. La protección del tweeter es específica para los sistemas de altavoces multidireccionales. Coloque un condensador en serie en línea con el tweeter para crear un filtro de paso alto de primer orden. Esto bloquea las frecuencias bajas que podrían dañar el tweeter o provocar una desviación excesiva. Ajusta el límite en función de la impedancia del tweeter y de la frecuencia de cruce deseada.

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Lista de verificación de diseño práctico

Antes de comprometerte con un diseño o con un pedido de tableros, sigue estos pasos:

• [] Calcule la potencia de salida máxima a partir de la tensión de alimentación y la impedancia de carga; sea realista con respecto a la oscilación de voltaje
• [] Verifique que sus transistores o circuitos integrados puedan soportar la corriente máxima con un margen de al menos 1,5 veces
• [] Configure su ganancia de voltaje (normalmente de 26 a 34 dB para amplificadores de potencia) y elija valores de resistencia que no añadan ruido excesivo
• [] Comprueba la velocidad de respuesta: necesitas suficiente ancho de banda para alcanzar la máxima potencia a 20 kHz sin cortes
• [] Ajuste el tamaño del disipador térmico para que se disipe en el peor de los casos, lo que en el caso de la clase AB se produce con aproximadamente un tercio de su potencia máxima, no con la potencia máxima
• [] Calcule su nivel de ruido y asegúrese de que la SNR supere los 90 dB (es decir, un nivel de ruido de −90 dBV)
• [] Añada una protección de compensación de corriente continua con un relé y un circuito de monitorización
• [] Desacople los rieles de suministro localmente: 10 μF BULK más cerámica de 100 nF en cada circuito integrado y etapa de alta corriente

Si te pierdes alguno de estos, o explotarás algo o pasarás horas depurando por qué tu amplificador suena mal.