30 de agosto de 2011

Notas Técnicas: Amplificación | Etapa de Salida: Tipos de Etapas - 1ra Parte


Amplificación | Etapa de Salida: Tipos de Etapa de Salida - 1ra Parte
Ver nota anterior: Distorsión

Existen varios tipos de etapa de salida, y como es habitual, se cumple que la eficiencia va en contra de la calidad del sonido, y viceversa.

Como hemos comentado en la introdución, existen dos tipos de etapas de salida radicalmente diferentes, el primer tipo son las etapas single-ended y el otro son las etapas push-pull. La gran diferencia es el modo de funcionamiento de los transistores.

Las etapas single-ended son etapas en emisor/fuente/cátodo común que ampilfican voltaje y tienen un elemento con una función puramente resistiva que se usa como impedancia de carga, aunque no necesariamente tiene que ser una resistencia, puede ser una bobina, un
transformador o una fuente de corriente.

Las etapas push-pull funcionan en colector/drenador/ánodo común y operan habitualmente con transistores complementarios. El caso de las válvulas es más complejo, requiere elementos que inviertan la fase del voltaje de control.

Clase A single-ended:

Como hemos comentado, este tipo de etapas opera en emisor/fuente/cátodo común. Amplilfican voltaje y cargan con un elemento que tiene como misión convertir en voltaje la corriente de colector/drenador/cátodo del dispositivo de ganancia.

Numéricamente son las peores etapas. Tienen eficiencias muy bajas, tasas de distorsión muy altas, no son rápidas, su impedancia de salida es alta... pero a nivel acústico poseen características que en conjunto con los altavoces pueden ser muy valiosas.

La primera es que su distorsión es muy próxima a la de nuestro oído, a los patrones de
armónicos de los instrumentos y sobre todo, su nivel está relacionado de forma más o menos lineal con el nivel de la señal. Como sucede en nuestro oído y de manera contraria a las etapas push-pull.

Otra de estas características es que tienen un mayor control sobre la corriente enviada al driver debido a que es mayormente una etapa de transconductancia, es decir, que convierte tensión en corriente, por lo que aunque numéricamente su cifra de distorsión sea alta, éstas pueden reducir la distorsión armónica del driver, que es casi siempre dominante, aunque esto supone serios problemas para amortiguar las oscilaciones del diafragma.

Siempre que se piense en una etapa y no en su interacción los altavoces que puede cargar se estará cometiendo un error. Despreciar este tipo de etapa por sus cifras eléctricas sería un error. De la misma manera, pensar en unas cajas acústicas y no en la etapa es otro error.

ANÁLISIS
A nivel teórico y con una carga resistiva perfectamente adecuada, esta etapa de salida tiene una eficiencia máxima del 25%. Un amplificador de 20W produce 60W de calor con esa eficiencia. A nivel práctico se puede aumentar esta cifra hasta el 50%, mediante el uso de bobinas y trasformadores que prácticamente no tienen consumo para DC, o fuentes de corriente
moduladas por la propia señal. No es una buena cifra de eficiencia.

Abajo a la derecha se pueden ver tres etapas con salida clase A single-ended, que usan tres tipos diferentes de transistor: BJT, mosfet e IGBT. Se puede ver que es semejante a una etapa de ganancia en voltaje, de hecho esa es su función. Pero este tipo de etapa tiene una característica que la hace utilizable para cargar un altavoz, a pesar de que según se suele entender, la etapa en emisor común tiene una impedancia de salida alta. La examinaremos a continuación:

La etapa clase A single-ended se puede analizar de la siguiente manera:

Av=gm.Rc

Donde gm es la transconductancia del transistor empleado y Rc es su resistencia de colector. En el caso de de usar una fuente de corriente, se considera una impedancia infinita. Cualquier intento de variar la tensión mediante cambios de corriente produciría cambios de tensión infinitos.

En el análisis simple hemos visto que la ganancia depende de la resistencia de colector, en este caso infinita por tratarse de una fuente de corriente, pero cuando se conecta a una carga... no hay nada
que aisle la etapa de la carga (4 Ohm, por ejemplo) y si el transistor (Q4,Q5) varía 10mA su corriente de colector esa corriente será demandada a la carga en lugar de a la fuente de corriente. Sucederá entonces que la tensión en la carga variará 40mV.

En términos generales se entiende que la carga está en paralelo con la fuente de corriente. Analizando este nuevo término en la ecuación se deduce cualquier impedancia finita en paralelo con una infinita (fuente de corriente) resulta en la carga finita.






La carga (altavoz) se convierte en un componente más de la etapa y deberá ser tenido en cuenta a la hora de analizar.





Esto tiene una gran importancia porque marca los parámetros de ganancia en lazo abierto, frecuencia de compensación, impedancia de salida,... es decir, este tipo de etapas tiene una gran dependencia de la carga, aunque en diseños realimentados como el esquema propuesto el nivel de dependencia es mucho menor que en etapas clase A single-ended donde la carga es pasiva, bien sea un transformador o una resistencia. Y mucho menor que en etapas donde no existe realimentación.

Básicamente, la etapa con carga activa (fuente de corriente) se adapta a la carga (altavoz) mejor que ninguna otra, teniendo en cuenta que un altavoz no tiene nunca la misma impedancia que otro altavoz diferente y que no tiene la misma impedancia ante diferentes frecuencias.

Veamos qué sucede a nivel de distorsión armónica.


Las cifras hablan por sí solas. La transconductancia del dispositivo y su linealidad frente a grandes corrientes son el elemento más importante.

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