Diseño de una etapa de Salida de audio

En el artículo anterior, mostré cómo implementar un CAG (control automático de ganancia) para audio. En este artículo mostraré como dotar de un amplificador sencillo, de baja potencia (0.3W) que permita conectar la salida del CAG a un parlante de audio pequeño.

Si bien es posible usar Circuitos Integrados para implementar amplificadores de audio de casi cualquier potencia, en este diseño usaré solo transistores, porque no se requiere niveles altos de potencia, y porque aprovecharé para mostrar un análisis del circuito.

El primer planteamiento de este diseño apuntaba hacia un sencillo amplificador de 1/2 vatio de potencia con control de volumen, pero luego se amplió el diseño por cuestiones de requerimientos. Para empezar, debía contar con una salida de audífono, diferente de la salida de parlante (como es lógico). Debería lograrse la ganancia necesaria para no obtener un nivel bajo en el parlante y por otro lado la ganancia en la salida de audífono no debería ser excesiva. Por último, se disponía de un operacional adicional en el circuito (esta etapa es parte de un diseño más grande) y podía utilizarse en esta etapa de salida.

El nivel de señal a la entrada del potenciómetro se fijó a 1Vp-p (proveniente del CAG), y se decidió usar una etapa de salida en clase B, con dos transistores complementarios, como el que se muestra en https://clasesparatodos.org/amplificador-de-clase-b/

Considerando que debemos tener una salida auxiliar para audífonos, que desconecte el audio del parlante, y un control de volumen. El amplificador de audio se compondrá entonces de un preamplificador y una etapa de salida. Del preamplificador, se tomará la salida para audífono, así se logra menos distorsión.

PREAMPLIFICADOR

La etapa preamplificadora, se implementará con el operacional TL082, y será la que se muestra a continuación:El preamplificador es un simple amplificador inversor con ganancia 10. Se usó el inversor porque no es necesario respetar la fase de la señal de audio (al fin y al cabo el oído no lo va a distinguir), y por otro lado, es esta configuración la que ofrece la posibilidad de requerir un consumo despreciable para la polarización (voltaje en el punto A) que ya está sobrecargada con otros circuitos que también usan este voltaje de referencia (Ver el artículo del CAG). La ganancia de 10 es suficiente porque la máxima excursión del operacional TL082 alimentado a 12 voltios está en cerca de 10V, entonces si la señal de entrada no va a exceder a 1Vp-p[1], entonces la máxima amplificación sin distorsión se obtiene precisamente con ganancia 10.

Los audífonos se conectan directamente a la salida del preamplificador para obtener la máxima calidad de sonido[2] y porque no requieren demasiada corriente a la vez que se protege al operador al limitar la potencia de salida. Esta limitación se logra con la resistencia R43 de 100 ohmios que también limita la corriente hacia la etapa de salida. Cuando se conectan los audífonos al Jack, se desconecta la inyección de señal hacia la etapa de salida que silencia al parlante dado que la entrada de esta etapa queda al aire. Inicialmente esta desconexión traía problemas cuando no se había incluido R40 y C18 en la etapa de salida.

Los acoplamientos de entrada y salida del preamplificador son sólo de transferencia de señal y no constituyen filtros, La frecuencia de corte inferior está en poco más de 15Hz así que los condensadores pueden considerarse de capacidad infinita en señal.

ETAPA DE SALIDA

La etapa de salida usa los transistores complementarios TIP31 y TIP32 que manejan hasta 4 A, entonces trabajaran sobredimensionados dado que la corriente que van a manejar no sobrepasa los 200mA lo que nos da libertad para evitar usar los disipadores que siempre son molestos. La ganancia según hojas técnicas debe estar en cerca de 75 si bien es cierto que es muy variable. Los transistores que usamos en el primer prototipo tenían 54 y 69 de ganancia para el TIP31 y el TIP32 respectivamente. En el segundo prototipo se usó un TIP 32 con 90 de ganancia y no se detectaron problemas en el funcionamiento, lo que es normal pues los transistores trabajan casi como seguidor de emisor, es decir sin ganancia en voltaje.

La polarización de los transistores se logra a través de los diodos D7 y D8, pero como el potencial de conducción está un poco por encima del potencial de conducción de los transistores entonces se produce un consumo apreciable a través de los colectores, por ello se incluye R46 para limitar el valor del voltaje de conducción de los diodos. Su valor es suficiente como para no entrar en clase C, pero el consumo en reposo se ve disminuido.

La polarización de los diodos se logra a través de R44 y R45 que determinan también la impedancia de salida del amplificador. La red RC constituida por R40 y C18 genera una tensión de polarización bastante estable sin producir mucha caída de alimentación y por lo tanto sin perder demasiado la estructura simétrica de la configuración. Inicialmente cuando R40 y C18 no se incluyeron en las pruebas se detectó que el rizado aparecía apreciablemente en el parlante cuando se conectaba el audífono. Esto se producía dado que al desconectar la entrada de la etapa de salida, entonces el punto central de los diodos perdía su referencia y simplemente se movía en el sentido de Kirchoff transmitiendo las variaciones al parlante. La salida del preamplificador está referenciada a tierra, entonces al estar conectada a la entrada de la etapa de salida también la referenciaba a tierra y el rizado se amortiguaba solamente en R44.

El consumo en reposo de la etapa de salida (los transistores y su polarización) es de 10mA. Cuando se introduce audio sube hasta, 60mA casi en el límite de la distorsión y puede llegar a 100mA con fuerte distorsión.

Asumiendo que la polarización se mantiene constante y que el consumo en exceso se transfiere en potencia al parlante, entonces podemos inferir que la potencia de salida máxima sin distorsión a 50% de eficiencia y con 12V está en 0.3 vatios, más adelante comparamos este cálculo por otro método.

El condensador C21 si constituye parte de una etapa de filtrado que está conformada por la impedancia del parlante (8 ohmios), la impedancia de salida del amplificador y la capacidad de C21.

Para calcular la impedancia de salida hicimos un ensayo en el prototipo, introducimos una señal sinusoidal de nivel tal que a la salida del amplificador, sin conectar el parlante aparecía 4Vp-p. Al conectar el parlante la señal bajó a 2.8Vp-p, de donde deducimos que la impedancia debe ser de 3.4 ohmios al menos a 1KHz. Se pudo haber intentado deducir la impedancia asumiendo que corresponde a la de una mitad del amplificador de salida(ya que sólo una de ellas conduce a la vez). Midiendo la resistencia dinámica del diodo en su estado de reposo, en paralelo con R46/2 y en paralelo con R44, que corresponde a la resistencia de Thevening vista desde la base. La impedancia de salida será la impedancia reflejada vista desde el emisor.

Teniendo la impedancia aproximada de salida , es posible estimar la frecuencia de corte inferior del pasa alto de la red C21-Rtotal. Donde Rtotal sería 8+3.4 ohmios, entonces el corte de primer orden se produce en 30 Hz aproximadamente, que permite filtrar aquellas ondas y ruidos que de lejos no van a poder ser reproducidos por el pequeño parlante.

Otro ensayo confirma que el nivel máximo de señal sin distorsión en el parlante de 8 ohmios está cerca de 3.6Vp-p para todo el rango de audio. Entonces se tiene que el valor eficaz es de 1.3 Vrms lo que da una potencia de 0.2 vatios. Lógicamente la potencia máxima que puede dar el amplificador es mucho mayor con distorsión. Por ejemplo con fuerte distorsión a 50Hz la potencia está en 0.7 vatios.

El parlante es de 2W así que el régimen de trabajo no le debe ser muy pesado. A niveles altos de señal, la distorsión proviene de la etapa de salida mas que del parlante en sí.

La alimentación de la etapa de salida se obtiene directamente de la fuente, como es de costumbre en etapas de potencia. La alimentación del preamplificador debe ser estabilizada y de preferencia, con un buen filtro.

El circuito completo del amplificador, seria el siguiente:

[1] En esta etapa no hay distorsión de cruce como sucede en la etapa de salida, y tan sólo es posible la distorsión por saturación, lo que es normal si se da demasiado volumen en audífonos normales de 32 ohmios.

[2] En realidad la entrada de señal si puede exceder a 1Vp-p cuando se desconecta el CAG, en cuyo caso la señal puede llegar hasta a 9Vpp, aunque la distorsión en el parlante todavía puede ser baja siempre y cuando se mantenga el control de volumen bajo.