El audio es uno de los medios más comunes. Aquí se refiere a la representación del sonido que los humanos pueden percibir. El audio y el vídeo son componentes esenciales de cualquier medio electrónico. La electrónica se puede utilizar para recibir señales de audio (a través de un micrófono), grabar audio en algún almacenamiento, transmitir audio (a través de canales de comunicación inalámbricos o por cable) y reproducir señales de audio (a través de parlantes). El audio se puede representar y transmitir como señales analógicas o digitales. En esta serie, las señales de audio analógicas son la preocupación. Las señales de audio tienen un rango de frecuencia de 20 Hz a 20.000 Hz.
El volumen de una señal de audio está indicado por la amplitud de la señal. Al igual que la naturaleza del sonido, el audio en forma de señales eléctricas también se desvanece con la distancia. Este fue un problema importante al que se enfrentaron los ingenieros telefónicos en la fase inicial del desarrollo de las tecnologías de la comunicación. Normalmente, en un canal cableado, si una señal eléctrica que transporta audio se transmite desde un extremo y se recibe en el otro extremo, a un kilómetro de distancia, pierde el 90% de su intensidad. Cuando la señal viaja a través de un cable, la resistencia del cable provoca una reducción en su potencia (P = I2/R). La pérdida de señal durante la transmisión ha sido un problema importante para los ingenieros electrónicos. Hay pérdidas si la señal se transmite únicamente desde el micrófono al dispositivo de grabación, computadora o generador de audio a un altavoz o si se transmite por cable a larga distancia. Para solucionar este problema, los ingenieros han desarrollado componentes electrónicos especiales: los "amplificadores". Los amplificadores aumentan la intensidad de la señal para que recorra una distancia mayor antes de disminuir. Al aumentar la amplitud de la señal de entrada, básicamente aumenta la potencia de salida del circuito, ya que las señales de alta potencia pueden viajar distancias más largas que las señales de baja potencia. Al utilizar amplificadores en diferentes etapas, las señales de audio se pueden transmitir de forma segura a través de una conexión por cable.
Otra mejora importante fue la representación del audio en forma de señales digitales. Al representar las señales de audio en forma de señales digitales, los datos de audio permanecen seguros. En la codificación digital, los datos de audio se vuelven independientes de la amplitud de la señal y, por lo tanto, no se alteran ni se pierden debido al ruido en el cable.
En esta serie, las señales de audio analógicas seguirán siendo el área de preocupación. No se discutirá la codificación digital de señales de audio. A lo largo de esta serie se analizará el diseño y uso de diferentes tipos de amplificadores. Los siguientes circuitos amplificadores se diseñarán en la serie:
1) amplificador de potencia de 250 mW
2) amplificador de potencia de 1W
3) Amplificador de refuerzo de graves
4) Amplificador de audio para automóvil
5) amplificador de auriculares
6) amplificador estéreo
7) Preamplificador MAX4468
8) Preamplificador LM358
Un amplificador aumenta la fuerza de una señal de audio aumentando su amplitud. El aumento de amplitud se llama amplificación. Por eso se llama Amplificador. Un amplificador de audio debe diseñarse en función de su aplicación y las especificaciones requeridas. Todos los amplificadores enumerados anteriormente están diseñados para diferentes aplicaciones y con diferentes especificaciones según la necesidad.
Fig. 1: Imagen de un amplificador de audio típico
Comprender las señales de audio
Pero, antes de saltar a la electrónica involucrada en el diseño de diferentes amplificadores, es importante comprender los conceptos básicos de las señales de audio para poder examinar las especificaciones de los circuitos amplificadores. Los dispositivos electrónicos procesan el sonido de forma muy parecida al cuerpo humano. El sonido se produce cuando algo vibra en el aire y, a su vez, las partículas en el aire vibran. Las vibraciones se propagan por el aire y son recibidas por el oído humano. Los oídos convierten estas vibraciones en señales eléctricas y las envían al cerebro. Un micrófono también hace lo mismo. En un micrófono, las ondas sonoras vibran en su diafragma, provocando vibraciones en otros componentes y las vibraciones se convierten en corriente eléctrica formando la señal de audio. Esta señal eléctrica es una señal analógica que representa el sonido. Tiene dos características importantes que reconocen la señal como un solo sonido:
1) Frecuencia: la frecuencia de la señal significa el tono del sonido. Este es el factor más importante para reconocer un sonido.
2) Amplitud: la amplitud de la señal significa la intensidad del sonido. Dado que este es el nivel de voltaje de la señal en un momento dado, también representa la intensidad de la señal. Hay varias formas de medir la amplitud de una señal de audio, como la amplitud de pico a pico, la amplitud cuadrática media (RMS), la amplitud del pulso, la media amplitud, etc. Análisis de los amplificadores de audio diseñados en esta serie.
Amplitud pico a pico: la amplitud pico a pico es la diferencia entre la cresta (valor de amplitud más alto) y el valle (valor de amplitud más pequeño) de la señal analógica.
Fig. 2: Diagrama de señal que muestra la amplitud pico a pico de una señal de audio
Amplitud RMS: RMS significa Root Mean Square. Generalmente se utiliza en el contexto de señales analógicas o señales de corriente alterna (CA). El valor RMS es la cantidad de corriente o voltaje igual a su corriente continua equivalente (CC). Por lo tanto, es universal definir el RMS para señales de CA al calcular la potencia en términos de CC. La siguiente ecuación se utiliza para calcular el voltaje RMS de pico a pico:
Vrms= Vp-p/ (2)1/2
Tipos de amplificadores de audio
Los amplificadores de audio se pueden clasificar de varias formas. Según la aplicación de un amplificador de audio, se puede clasificar de la siguiente manera:
1) Preamplificador
2) amplificador de potencia
Se necesita un preamplificador para amplificar señales de entrada muy bajas de un micrófono o una guitarra. Se utiliza antes de la etapa de amplificador de potencia. Estos tipos de amplificadores no ayudan a aumentar la potencia de salida, pero se utilizan para nivelar las señales eléctricas del micrófono o la guitarra al voltaje de nivel de línea estándar antes de la amplificación. La corriente de salida de estos amplificadores es en micro amperios, por lo que a veces también se les llama Microamplificadores. Además de la amplificación de voltaje, también reducen el ruido y la distorsión en la señal de salida. Después de la preamplificación, el amplificador de potencia se utiliza para aumentar la potencia de salida amplificando la corriente y el voltaje de la señal de entrada.
Características del amplificador de audio
Hay muchos factores de diseño involucrados en la fabricación de cualquier circuito amplificador, como la ganancia, el ancho de banda, la potencia de salida y el voltaje de suministro máximo. Un amplificador de audio debe diseñarse teniendo en cuenta todos estos importantes factores de diseño. Algunos de los parámetros de diseño importantes involucrados en la fabricación de un amplificador de audio son los siguientes:
1) Ganancia: la ganancia es una medida de la capacidad de cualquier sistema para aumentar la potencia o amplitud de la señal. La ganancia de un circuito amplificador se expresa como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada (ganancia de voltaje), o la relación entre la corriente de salida y la corriente de entrada (ganancia de corriente), o la relación entre la potencia de salida y la potencia de entrada. (gana poder). Se expresa en dB (decibelios). La ecuación para convertir la ganancia de voltaje en ganancia de dB es la siguiente:
Ganancia (dB) = 20logGv
Donde Gv es la ganancia de voltaje.
En el análisis de los circuitos amplificadores diseñados en esta serie, se tomará como factor de diseño la ganancia de voltaje. La ganancia de voltaje se expresa como la relación entre el voltaje de salida y el voltaje de entrada.
Ganancia de voltaje = voltaje de salida/voltaje de entrada
2. Volumen y tasa de pendiente: el volumen de un audio está determinado por la amplitud de salida de la señal de audio. Dado que la ganancia del circuito decide la amplitud máxima y mínima, el volumen sólo se puede cambiar en el rango de esta amplitud. Usando un potenciómetro, se puede cambiar la amplitud de la señal y por lo tanto la fuerza o el volumen de la señal de audio. Un amplificador no puede cambiar repentinamente el volumen de la señal de audio. La tasa máxima de cambio de la señal de salida se llama tasa de desviación del amplificador.
3. Potencia de salida: la potencia de salida de un amplificador de audio es equivalente a qué tan fuerte puede ser el sonido que emite. Suele expresarse en Watts o Milli Watts. Cuanto más grandes sean los altavoces, más potencia de salida del amplificador necesitarán. La potencia de salida máxima de un circuito amplificador se puede calcular de la siguiente manera:
P = V2/2R
Dónde,
P = potencia de salida
V = voltaje pico a pico
R = Resistencia de carga
4) Linealidad: en el contexto de los amplificadores de audio, la linealidad se refiere a la proporcionalidad entre la señal de entrada y salida. Cuanto mayor sea la linealidad, mayor será la representación real del audio de salida de la señal de audio de entrada.
5) Ancho de banda: el ancho de banda se refiere al rango de frecuencia en el que puede funcionar el amplificador. Los circuitos amplificadores de esta serie están diseñados para funcionar en el rango de frecuencia de 20 Hz a 20 KHz.
6) Efecto de recorte: los circuitos amplificadores están diseñados para tener voltajes de salida en un rango específico. Normalmente este rango se menciona con un signo más y/o menos. Así como se puede diseñar un amplificador para que tenga voltajes de salida en el rango de +/- 50V. Por lo tanto, idealmente, el nivel de voltaje de salida de este amplificador no excederá los 50 V con respecto al origen de la forma de onda. Dado que el nivel de voltaje y la potencia de salida están relacionados, esto también indica el rango de potencia de salida que puede proporcionar el amplificador. Si se intenta (ya sea por la carga o por los altavoces en la salida del amplificador) extraer más niveles de potencia o voltaje que los niveles de potencia o voltaje para los cuales fue diseñado el amplificador, entonces la forma de onda de salida (que lleva la señales de audio) comenzarán a recortarse.
Cuando el recorte significa que el nivel de voltaje de salida se vuelve constante e igual al nivel de voltaje máximo que puede producir para todos los niveles de voltaje que están más allá del límite máximo de salida del amplificador. Dado que la señal de voltaje de salida es la señal de audio en sí, la saturación provocará distorsión en el sonido de salida. Si la saturación es severa, la forma de onda de salida puede convertirse en una onda cuadrada en lugar de una onda sinusoidal, causando pérdida de la señal de audio o simplemente ruido restante en la salida del amplificador.
En segundo lugar, la potencia nominal de la onda cuadrada es el doble que la de la onda sinusoidal. La fuente de alimentación de la mayoría de los amplificadores no puede soportar una potencia de salida del doble de su potencia nominal durante un período de tiempo más largo.
Además, en la salida la tensión será prácticamente superior a la tensión nominal, lo que provocará problemas con la carga, que son los altavoces. Los altavoces están diseñados para tener una impedancia constante. La impedancia de los altavoces se expresa en ohmios y suele ser de 2, 4 u 8 ohmios. Un altavoz de baja impedancia consume más energía que uno de alta impedancia. Al recortar, un altavoz de alta impedancia o baja potencia prácticamente puede dañarse.
Cuando la señal de salida de un amplificador se recorta, actúa como una fuente de alimentación constante o una entrada de CC fija para las entradas de los altavoces. Los altavoces tienen una bobina interna. Al obtener una entrada constante, esta bobina no tendrá la oportunidad de enfriarse debido a que se corta el paso suave de la señal de audio. Es inusual apagar los tweeters en caso de recorte extremo. El tweeter es un tipo de altavoz (con forma de cúpula o bocina) diseñado para generar alta frecuencia de audio en el rango de 2 kHz a 20 kHz. El riesgo de dañar un altavoz depende de la señal de audio (tiene mucha frecuencia alta), el grado de saturación y la sostenibilidad del altavoz más allá de su potencia nominal. Por lo tanto, se puede utilizar un altavoz de alta potencia y baja impedancia con un amplificador de baja potencia, pero viceversa no es cierto.
Supongamos que si un altavoz tiene el doble de potencia de salida del amplificador, no habrá problemas con el altavoz en caso de saturación. Sin embargo, el recorte seguirá añadiendo distorsión al audio de salida y la calidad del sonido puede reducirse terriblemente y nadie podrá quedarse.
Por lo tanto, es mejor utilizar un amplificador sólo para saturación ocasional, ya que la saturación aumenta las posibilidades de dañar los altavoces, puede sobrecargar el amplificador o deteriorar la calidad del sonido.
El efecto de recorte se puede observar en una CRO. En la siguiente figura, la forma de onda roja representa la supuesta salida de audio y la forma de onda amarilla representa la forma de onda recortada cuando se utiliza un amplificador de audio de menor potencia.
Fig. 3: Imagen de forma de onda que muestra el efecto de recorte en la señal de audio
7) Estabilidad y retroalimentación negativa: la capacidad del circuito amplificador para proporcionar una salida confiable se llama estabilidad. Para aumentar la estabilidad del circuito, se utiliza retroalimentación negativa en el diseño de circuitos amplificadores. La retroalimentación negativa tiene varias ventajas, como estabilidad de ganancia, reducción de ruido, aumento de la impedancia de entrada, disminución de la impedancia de salida y aumento del ancho de banda. Para proporcionar retroalimentación negativa, los circuitos amplificadores de esta serie están diseñados en configuración inversa.
8) Coincidencia de impedancia: para una transferencia completa de energía de la entrada a la salida, la impedancia de la fuente y la carga deben ser las mismas. Pero no es posible igualar adecuadamente la impedancia, por lo que existe una regla general de que la impedancia de salida/impedancia de carga debe ser 10 veces la impedancia de fuente/entrada. Esto da como resultado una pérdida de potencia conocida del 10% y el 90% de la potencia se transfiere a la salida. Por lo tanto, al aumentar la impedancia de salida, se puede reducir considerablemente la pérdida de potencia del amplificador.
9) Eficiencia: la eficiencia de un amplificador de audio se expresa como la relación entre la potencia de salida del amplificador y la potencia consumida por el propio amplificador.
10) Ruido y SNR: cualquier circuito amplificador presenta algo de ruido en la salida. Este ruido es creado por los componentes semiconductores utilizados en el diseño del amplificador. Cuanto mayor sea la potencia de salida de un amplificador, mayor será el ruido en su salida. Es necesario diseñar un amplificador de manera que el ruido en su salida permanezca constante independientemente de la señal. Además, la relación señal-ruido debe permanecer alta en todo el rango operativo del amplificador. Por lo tanto, el amplificador debe tener una relación señal-ruido (SNR) alta, que debe ser constante en todo su rango operativo.
11) Distorsiones armónicas: las distorsiones son señales no deseadas mezcladas con la señal de audio original o la señal de audio de entrada. Si se aplica una forma de onda de audio de frecuencia constante a la entrada de un amplificador, también debe permanecer igual en la salida del amplificador. Sin embargo, las frecuencias de un múltiplo entero de la frecuencia de entrada se suman a la salida del amplificador. Estas frecuencias se denominan distorsiones armónicas y siempre son el múltiplo integral de la frecuencia de entrada. El nivel de distorsión en la salida de un amplificador se mide como Distorsión Armónica Total (THD). La distorsión armónica total es la relación entre la potencia de todas las frecuencias armónicas combinadas y la potencia de la frecuencia original. Las distorsiones armónicas en un amplificador deben ser ocasionales y el THD para estas ocurrencias ocasionales también debe estar dentro del límite tolerable. La THD generalmente se expresa como porcentaje. Como si un amplificador tuviera un 2% de THD, esto significa que la potencia de todos los armónicos combinados es solo el 2% de la potencia de la frecuencia original. Generalmente es tolerable una THD de hasta el 10%, pero debe ser lo más baja posible. Los amplificadores de audio estándar tienen un THD inferior al 1% o 0,5%.
12) Conexión a tierra en bucle: en los amplificadores de audio, la conexión a tierra en bucle también es uno de los principales problemas que provoca zumbidos en los altavoces. Los diferentes componentes del amplificador están conectados a diferentes nodos de tierra. Idealmente, la tierra debería ser de 0 voltios, pero debido a la naturaleza resistiva del cable de tierra, tiene diferentes voltajes a lo largo de su longitud. La diferencia de voltaje en diferentes nodos de tierra agrega ruido a la señal de audio de salida. Para eliminar el problema de los bucles de tierra, se utilizará topología en estrella para conectar a tierra y alimentar el circuito amplificador.
Fig. 4: Diagrama de circuito de topología en estrella para tierra y potencia en un amplificador simple
En esta serie, la ganancia y la potencia de salida se considerarán principalmente al diseñar los circuitos amplificadores.
Construcción de amplificadores de audio.
Un circuito amplificador se puede diseñar utilizando transistores o amplificadores operacionales. Un transistor puede funcionar en tres estados: estado de corte, estado activo y estado de saturación. En el estado activo, el transistor actúa como un amplificador, por lo que al configurar los transistores en el estado activo, se pueden utilizar para construir amplificadores de audio. Tanto BJT como MOSFET se pueden utilizar para diseñar un circuito amplificador.
Fig. 5: Imagen típica de un transistor
OPAM básicamente tiene un grupo de transistores conectados entre sí de una manera que ayuda a amplificar una señal de entrada. Los transistores se pueden usar como amplificadores para sistemas de audio simples y, para sistemas de audio más complejos, se pueden usar amplificadores operacionales para crear el circuito amplificador de audio.
Fig. 6: Imagen típica del IC amplificador operacional (OPAM)
Prueba de circuitos amplificadores de audio
Para probar los circuitos amplificadores diseñados en esta serie, se utiliza el generador de funciones como fuente de entrada. El generador de funciones se utiliza para generar una onda sinusoidal de amplitud y frecuencia constantes. Cualquier señal de audio también es básicamente una onda sinusoidal, por lo que se puede utilizar un generador de funciones en lugar de un micrófono o una fuente de audio real. Por tanto, el generador de funciones se puede utilizar como fuente de entrada para probar circuitos amplificadores de audio. Durante las pruebas, también en la salida, no se utiliza ningún altavoz como carga, ya que el altavoz es tanto resistivo como inductivo. A diferentes frecuencias, su inductancia cambia, lo que a su vez cambia la impedancia (combinación R y L) del altavoz. Por lo tanto, utilizar un altavoz como carga en la salida del amplificador para derivar sus especificaciones puede generar resultados falsos o no estándar. En lugar del altavoz, se utilizará una carga ficticia puramente resistiva. Dado que la resistencia no cambia con la frecuencia, basta con tomar sólo una o dos lecturas.
Durante las pruebas, la frecuencia de la señal del generador de funciones se mantendrá en el rango de 20 Hz a 20 KHz, que es el mismo que el rango de audio típico, y las observaciones se realizarán con una ganancia de 26 db y 46 db.
Para probar los circuitos amplificadores, primero se ajustará el voltaje de entrada al nivel de voltaje deseado, donde el voltaje de entrada debe ser menor que el voltaje de polarización de los transistores utilizados en los circuitos amplificadores. Luego, la forma de onda de salida se observará en CRO y la señal de entrada se amplificará hasta que la forma de onda de salida comience a recortarse. El voltaje de salida pico a pico inmediatamente antes del recorte se medirá para el análisis del circuito, como la determinación de la potencia de salida y la ganancia del amplificador.
Comencemos a hacer los circuitos amplificadores. En el próximo tutorial, se diseñará un amplificador de potencia de 250 mW.