Perspectiva

El amplif icador en un sistema de audioserá el encargado de amplificar la entra-da hasta un cierto nivel capaz de manejarel altavoz de manera que el sonido pueda

ser escuchado con una presión sonora adecua-da al espacio a sonorizar. Cuando estos espaciosson grandes, la cantidad de presión necesarianecesita de grandes cantidades de potencia eléc-trica que debe suministrarse a los altavocessiguiendo la referencia de la señal de audio ori-ginal. En estos casos se precisa de amplifica-dores capaces de controlar el altavoz de la mane-ra más precisa posible, a la par de suministrarla potencia requerida, respetando en todo

momento la dinámica propia del programa musi-cal.Tradicionalmente se han empleado amplifica-

dores donde el transistor de potencia opera ensu zona lineal. Éstas son algunas de las topolo-gías más utilizadas:- Amplificador en clase A. En esta modalidadtodos los elementos activos de la etapa de sali-da se encuentran conduciendo en su zona line-al durante la amplificación. Se emplean en equi-pos hi-fi donde el rendimiento no es importan-te, dado que presentan una distorsión armónicamuy reducida.- Amplificador en clase B. En el amplificadoren clase B se emplean dos elementos activosen la etapa de salida, de manera que cada unode ellos conduce tan sólo en el semiciclo posi-tivo o negativo de la señal de entrada. De estamanera se consigue un mejor rendimientodebido a que el transistor tan sólo conducedurante el 50% del ciclo completo, pero conmayor distorsión originada por la zona de tran-sición o “crossover”.- Amplificador en clase AB. En esta configu-ración se permite que los dos transistores de laetapa de salida conduzcan al mismo tiempodurante un breve instante de tiempo para evitarla distorsión en los cruces por cero. Dado quepuede alcanzarse un rendimiento mayor que enclase A con menor distorsión que en clase B esel más comúnmente usado.- Amplificador en clase H. En estos dos tiposde amplificadores se dispone de dos niveles dealimentación distintos que permiten evitar laspérdidas en los elementos activos cuando elamplificador no trabaja a plena potencia. Estosamplificadores presentan las ventajas de losamplificadores en clase AB respecto a distor-

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Amplificador en clase D para audioELECTRÓNICA DE POTENCIA. Finalmente los amplificadores de señal basados en conmutaciónestán haciendo su aparición de una forma sólida en el mercado del audio profesional. En el presenteartículo se expone a grandes rasgos las características del amplificador en clase D para señales deaudio.

FRANCISCO JOSÉ GONZÁLEZ ESPÍN (1), EMILIO FIGUERES AMORÓS(2), GABRIEL GARCERÁ SAN FELIÚ (2) Y JESÚS SANDIA PAREDES (2)

(1) VMB ESPAÑOLA S.A. DPTO. I+D+I(2) GRUPO DE SISTEMAS ELECTRÓNICOS INDUSTRIALES (GSEI)

(UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE VALENCIA (UPV))

Figura 1. Amplificador en clase A emisorcomún simplificado.

Perspectiva

sión armónica y aumentan el rendimiento has-ta un 70%~80%. En la actualidad son muy valo-rados en el mundo del audio profesional.

CLASE DEl amplificador en clase D emplea elementosactivos trabajando en corte o en saturación, porlo que el rendimiento respecto de las topologí-

as expuestas hasta ahora aumenta hasta valoressuperiores al 90%. Esto permite diseños máscompactos y menos pesados. El empleo de unbucle de control en lazo cerrado es muy impor-tante para conseguir niveles de distorsiónarmónica similares a los diseños tradicionales.En este tipo de amplificador, la señal de audio

es codificada mediante PWM o modulación deancho de pulso, de manera que la informaciónde amplitud y frecuencia está contenida en elciclo de trabajo de la conmutación de los tran-sistores de la etapa de potencia.

Los bloques que forman el amplificador sonlos siguientes:- Etapa de entrada. En esta etapa se encuentrael control de ganancia, filtrado paso bajo paraevitar inestabilidad del lazo de control y el des-balanceador.- Control. Para mejorar la THD (distorsiónarmónica total) del sistema puede emplearseun control de tensión en lazo cerrado. Se reali-menta la tensión de salida filtrada para com-pensar el desfase introducido por el filtro y lasimperfecciones de la etapa de potencia. Este blo-que es el encargado de anular los errores entrela referencia y la señal de salida.

La función de transferencia del regulador enpequeña señal es la siguiente:

Y el ajuste del polo, el cero y la constante deintegración es el siguiente:

Puede realizarse el ajuste mediante la técnicade “Loop-Shaping” para que el sistema sea esta-ble, empleando el diagrama de Bode y cum-pliendo el criterio de estabilidad de Nyquist [4].- Generador PWM. Es el encargado de generarla señal PWM a partir de la moduladora y la por-tadora. Se emplea como portadora una señaltriangular con una frecuencia entre 200 kHz y400 kHz, y como moduladora la señal salidadel control. La comparación se llevará a cabomediante un comparador analógico capaz de tra-bajar a la frecuencia de la señal moduladora.- Semipuente. Está formado por dos células de

AMPLIFICADOR CLASE D

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Figura 2. Amplificador en clase B simplificado.

Figura 3. Amplificador en clase AB simplificado.

A sv

v

w

s

s w

sw

vc

i

i z

p

( )ˆ

ˆ= = −

+( )+

⎛

⎝⎜⎞

⎠⎟

i1

1

1

1

(1)

wC C R

wR C

wR C C

i

z

p

=+( )

=

= ( )

1

1

1

2 3 2

11 2

11 2 3

i

i

i / /

(2)

(3)

(4)

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conmutación bidireccionales en corriente. Sehan empleado transistores MOSFET de poten-cia de canal N (lo que permite un diseño máseficiente) alimentados mediante una fuente deCC correctamente desacoplada para evitar elefecto de “pumping” inherente al modo de fun-cionamiento del amplificador en clase D [1] [2].- Filtro. Un diseño correcto del filtro de salidapresenta múltiples ventajas como por ejemplolimitar el consumo de corriente, minimizar elruido de conmutación (EMI) o proteger al alta-voz de los armónicos de alta frecuencia debi-dos a la conmutación. Estos armónicos debenser suficientemente atenuados (la amplitud dela portadora después del filtro debe ser comomáximo un 5% de la amplitud de la modulado-ra amplificada (primer armónico) [3]), permi-tiendo que la banda pasante (hasta 20 kHz) nose vea modificada ni en amplitud ni en fase.De los distintos tipos de ajustes más empleados(Chebyshev, Butterworth y Bessel), puedeemplearse un filtro Butterworth LC de segun-

do orden, dado que presenta una respuesta muyplana en la banda pasante, resonancia amorti-guada en la frecuencia de corte (entre 15 kHz y25 kHz en función de la frecuencia PWM), yun número limitado de componentes.

- Protecciones. Las más importantes son contrasobre corriente, contra sobre tensión y contraCC a la salida. Éstas actuarán sobre la etapa demodulación, impidiendo la conmutación a ONde las células de conmutación en caso de error.- Ganancia de realimentación (ß). Esta ganan-cia permitirá adaptar el nivel de la tensión desalida de manera que pueda ser introducido enel lazo de control.

MODULACIÓN ANALÓGICA Y MODULACIÓNDIGITALUno de los mayores atractivos del amplificadoren clase D es que su funcionamiento puedeconsiderarse (con ciertas reservas) como digi-tal, ya que la amplif icación de la señal deaudio se lleva a cabo mediante el muestreo dela señal analógica, obteniendo una codifica-ción de ancho de pulso con una cuantizaciónde 1 bit. En general esta codificación se lleva acabo de forma analógica mediante la compara-ción de la señal de entrada con una señal trian-gular de frecuencia mucho mayor que la fre-cuencia máxima de la señal de audio, de mane-ra que puede evitarse el fenómeno de “aliasing”.

Dado que los sistemas actuales de soporte yreproducción de audio están basados en proce-sos digitales, es preciso convertir el flujo dedatos digital al mundo analógico para poder

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Figura 4. Amplificador en clase D.

Figura 5. Regulador.

Cf R

LR

f

corte load

load

corte

1

1

1

2 2

2

2

=

=

i i i i

ii i

π

π

(5)

(6)

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llevar a cabo la amplificación mediante cual-quiera de los sistemas descritos hasta ahora. Elempleo de convertidores D/A añade distorsióna la señal de referencia, por lo que un previo yuna etapa de potencia cuidadosamente diseña-das pueden resultar inútiles frente a un D/A demala calidad.La ventaja del amplificador en clase D es quela señal digital de entrada puede ser amplifica-da sin la necesidad de convertidores, medianteel empleo de distintas técnicas de conversiónPCM a PWM. En esta conversión es muy fre-cuente el empleo de técnicas de “noise shaping”para reducir el ruido debido a la cuantizaciónde la señal, lo que mejora el THD de manera sig-nificativa. Esta técnica se basa en una técnicadeterminística que emplea un cuantizador finoembebido en un lazo de realimentación paraconseguir alterar la distribución del ruido decuantización inherente a la señal digital, queobtiene un error menor [5]. Mediante elempleo de DSP es posible integrar por tanto enun solo aparato el proceso digital habitual (fil-tros, retardos, crossovers...) y la amplificaciónsin la necesidad de emplear convertidores D/A.Esto repercute tanto en la calidad como en elcoste del producto final.

El último paso natural del proceso de ampli-ficación consiste en encontrar transductorescapaces de reproducir la señal digital amplifi-cada.

A pesar de que durante muchos años el dise-ño de altavoces a permanecido relativamenteinalterado, salvo en lo que se refiere a mate-riales constructivos, actualmente se trabajapara conseguir reproducir directamente la señaldigital empleando básicamente dos métodos;múltiples bobinados conectados al mismo cono(MVC) o múltiples altavoces formando unamatriz o array (DTA). El primero de ellosconsiste en emplear tantos bobinados como bitspresentes en la señal digital, realizándose laconversión digital/analógico en el campo mag-nético del altavoz, mientras que el segundo pre-cisa de altavoces, siendo el número de bits,aunque diversas técnicas pueden ser emplea-das para reducir este número a una cantidadde altavoces razonable. En este último caso laconversión D/A se produce en el dominio acús-tico [6].

CONSIDERACIONES PRÁCTICASPara llevar a cabo un diseño robusto capaz decumplir con las exigencias del mercado profe-sional, deben tenerse en cuenta algunas consi-deraciones importantes como las que se citan acontinuación:- Carga a la salida. A pesar de que el diseño

Figura 6. Filtro LC de segundo orden.

Figura 7. Evolución de la amplificación de señales de audio.

AMPLIFICADOR CLASE D

Figura 8. Distintas configuraciones paraDTA.

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del amplificador suele hacerse para una cargaconstante modelada como una resistencia, laimpedancia que el amplificador debe manejarno es en absoluto resistiva. En concretodepende del altavoz y del recinto acústicodonde esté montado, presentando grandesvariaciones del valor nominal que aporta elfabricante. Por otro lado el amplificador debeestar preparado para enfrentarse a condicio-nes de circuito abierto y cortocircuito, y en nin-gún caso estas variaciones deben dañar ni elamplificador ni el altavoz. Un aspecto muyimportante que debe tenerse en cuenta es quecualquier disfunción del amplificador puederepercutir en sonidos desagradables que moles-tarían al oyente. Esto último es un hito impor-tante que el diseñador debe siempre tener encuenta.- Potencia de salida. El estudio de la potenciamedia de una señal de audio revela que ésta eshasta 12 dB menor que la potencia de pico[7]. Esto permite relajar el diseño térmico dela etapa de amplif icación y condiciona eldiseño de la fuente de alimentación, la cualdebe ser capaz de mantener la tensión de esta-ble a pesar de los picos de potencia. Teniendoen cuenta lo expuesto hasta ahora, no es nece-sario el diseño de una fuente capaz de propor-cional la potencia de pico de forma prolonga-da, aunque sí deberá ser capaz de hacerlodurante un tiempo razonable, el cual depende-rá de varios factores, entre los que se incluyenla calidad que se pretenda en el productofinal.- Tamaño y peso. Una vez que se decide dise-ñar una etapa de amplificación en clase D, uno

de los objetivos principales debe ser obtener undiseño compacto y ligero, que justifique deforma visible el empleo de una tecnología dis-tinta a la habitual.- Proceso digital de la señal mediante DSP. Sise opta por la modulación digital, resultamuy interesante incluir funciones en la etapade potencia propias de procesadores digitalesautónomos como son f iltros paramétricos,limitadores, compresores, crossovers, retar-do, etc.

REFERENCIAS[1] Kemp, A. “The Practical Side Of Switching AudioPower Amplifiers”: Application note. Tripath Tech-nology, 1999.[2] Honda, J. and Cerezo. J. “Class D Audio”: Appli-cation note. Internacional Rectifier, 2003.[3] Mohan, Undeland and Robbins: “Power Electro-nics. Converters, applications and devices”. JohnWiley and Sons, 2003.[4] Garcerá, G. y otros: “Conversores conmutados:Circuitos de potencia y control”, vol.1. Valencia,Servicios de Publicaciones de la Universidad Poli-técnica de Valencia, 1998.[5] Goldberg, J.M., Sandler, M.B: “Noise Shaping andPulse-Width Modulation for an All-Digital AudioPower Amplifier”, J.Audio Eng. Soc., vol. 39, no. 6,pp. 449-460 (Junio 1991).[6] Mendoza-López, J.: “Direct Acoustic Digital toAnalogue Conversión with Digital Transducer ArrayLoudspeakers”, Audio Eng. Soc. Convention, Paper6417 (Mayo 2005).[7] Hermon H. Scout: Power amplifiers for musicreproduction. J. Audio Eng. Soc., vol.3, pp. 132-142(1955 Julio). ME

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