Design de amplificador de áudio: potência, impedância e ruído
Um guia prático para projetar os estágios do amplificador de áudio: calcular a saída de potência, combinar a impedância do alto-falante, gerenciar o nível de ruído e escolher entre Classe AB e Classe D.
Fundamentos do amplificador de potência
Um amplificador de potência de áudio recebe um sinal de linha de baixo nível (normalmente 1 Vrms, 0 dBV) e aciona um alto-falante (4—8 Ω) para produzir saída acústica. O principal desafio é fornecer dezenas a centenas de watts, mantendo baixa distorção e alta eficiência.
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Cálculos de saída de energia
Potência máxima de saída para um amplificador classe AB:
“BLOCO MATEMÁTICO_0"
onde “MATHINLINE_7” (a Classe AB normalmente oscila dentro de 10% dos trilhos).
Para uma alimentação de ±18V (36V dual) em 8Ω: “BLOCO MATEMÁTICO_1"
Use a [Calculadora de recorte de amplificador] (/calculadoras/audio/amplifier-clipping) para encontrar a tensão máxima e a potência de corte.
Use a [Calculadora de ganho do amplificador de potência] (/calculators/audio/power-amplifier-gain) para verificar o ganho de tensão (normalmente 26—34 dB para amplificadores de potência).
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Correspondência de impedância de alto-falante
Os amplificadores são classificados em cargas específicas. Operar em uma impedância mais baixa consome mais corrente:
“BLOCO MATEMÁTICO_2”
Um amplificador de 100W/8Ω produz o pico “MATHINLINE_8”. Em 4Ω com a mesma voltagem, a potência dobra para 200W — mas a corrente também dobra para um pico de 10A. Os transistores de saída devem lidar com isso.
A sensibilidade do alto-falante determina o quão alto ele tocará com uma determinada potência:“BLOCO MATEMÁTICO 3"
onde “MATHINLINE_9” é a sensibilidade em dB/W/m. Um alto-falante de 90 dB/W/m a 100W produz 110 dB SPL a 1m.
Use a [Calculadora de sensibilidade do alto-falante] (/calculadoras/áudio/sensibilidade do alto-falante) para prever o SPL à distância de escuta.
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Classes de amplificadores comparadas
| Classe | Corrente quiescente | Eficiência | Distorção | Melhor para |
|---|---|---|---|---|
| A | Alto (igual ao pico) | 25— 50% | Muito baixo | Fones de ouvido de alta fidelidade |
| AB | Baixo | 50— 70% | Baixo | Áudio doméstico |
| D | ~0 | 85— 98% | Baixo (com feedback) | Portátil, automotivo |
| G/H | Baixo | 60— 80% | Baixo | Áudio doméstico de alta potência |
Classe AB: O padrão
A Classe AB opera com pequena corrente quiescente para eliminar a distorção cruzada, ao mesmo tempo em que oferece eficiência melhor do que os transistores de saída Classe A. inativos a 10—50 mA cada.
A dissipação de energia na saída máxima é, na verdade, menor do que na metade da potência (contra-intuitiva). Na pior das hipóteses, a dissipação ocorre em “MATHINLINE_10”.
Classe D: a escolha moderna
A classe D usa o PWM para ligar ou desligar totalmente os transistores de saída. Eficiência típica: 85— 95%.
Use a [Calculadora de eficiência Classe D] (/calculadoras/audio/class-d-efficiency) para estimar a eficiência do MOSFET RDS (ligado) e da corrente quiescente.
Vantagens e desvantagens: Requer filtro LC de saída (adiciona custo e tamanho), EMI a partir da frequência de comutação, pode exigir um layout cuidadoso. Os ICs integrados de classe D (TPA3116, MAX9744) incluem o filtro e lidam com a maior parte da complexidade.---
Amplificadores de fone de ouvido
Os amplificadores de fone de ouvido enfrentam um problema de design diferente: acionar cargas de alta impedância (32—600Ω) a partir de uma baixa tensão de alimentação.
Potência necessária para 110 dB SPL de um fone de ouvido de 300Ω/100 dB/mW: “BLOCO MATEMÁTICO_4” “MATHBLOCK_5”
Use a [Calculadora de alimentação do fone de ouvido] (/calculators/audio/headphone-power) para calcular a voltagem e a corrente necessárias a partir das especificações do fone de ouvido.
A impedância de saída é importante: para um desvio mínimo de resposta de frequência, a impedância de saída do amplificador deve ser < 1/8 da impedância do fone de ouvido. Para latas de 32Ω, mantenha “MATHINLINE_11”.---
Noise Floor e SNR
O nível de ruído determina a faixa dinâmica do amplificador. Para um sistema de áudio:
“MATHBLOCK_6”
Um SNR de 120 dB (estado da arte) significa que o ruído é 1 milhão de vezes menor do que o sinal em grande escala.
Fontes de ruído
1. Ruído Johnson em resistores: “MATHINLINE_12” 2. Ruído de entrada do amplificador operacional: especificado como ruído de tensão nV/√Hz + ruído de corrente Pa/√Hz 3. Ruído da fonte de alimentação: deve ser bem filtrado; use filtro LC+capacitor local
Use a [Calculadora SNR de áudio] (/calculators/audio/audio-snr) para calcular o SNR a partir dos níveis de sinal e ruído.
Seleção de amplificadores operacionais para áudio
Para pré-amplificadores de áudio:
- NE5532: clássico, baixo ruído (5 nV/√Hz), barato
- OPA2134: entrada JFET, distorção muito baixa, 8 nV/√Hz
- LM4562: 2,7 nV/√Hz, excelente para estágios de precisão
Circuitos de proteção
Todo amplificador de potência precisa:
1. Proteção de offset DC: Um relé que desconecta o alto-falante se o deslocamento DC exceder ~ 50—100 mV. Protege o alto-falante da corrente DC.
2. Proteção térmica: termistor no dissipador de calor que reduz o ganho ou se desconecta se a temperatura exceder 80° C.
3. Proteção contra curto-circuito: Limitação de corrente (reduza o acionamento se for “MATHINLINE_13”) ou fusíveis na saída.
4. Capacitor de proteção do tweeter: filtro passa-alta de primeira ordem para bloquear as baixas frequências do tweeter.
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Lista de verificação de design prático
- [] Calcule a potência máxima de saída a partir da tensão de alimentação e da impedância de carga
- [] Verifique a classificação de corrente do transistor/IC (pico de 1,5 ×)
- [] Calcule o ganho (normalmente 26—34 dB, definido pela relação do resistor)
- [] Verifique a taxa de variação para largura de banda de potência total ≥ 20 kHz
- [] Tamanho do dissipador de calor: dissipação de P a 1/3 da potência total (pior caso para AB)
- [] Verifique o SNR > 90 dB (nível de ruído < −90 dBV)
- [] Adicionar relé de proteção DC
- [] Desacople os trilhos de alimentação localmente (cerâmica de 10 μF + 100 nF)