amplificador de potencia de audio

Amplificador de potencia de audio estéreo fabricado por Unitra.
La vista interna de un amplificador de audio integrado Mission Cyrus 1 Hi Fi (1984) [1]

Un amplificador de potencia de audio (o amplificador de potencia ) es un amplificador electrónico que amplifica señales de audio electrónicas de baja potencia , como la señal de un receptor de radio o una pastilla de guitarra eléctrica , a un nivel lo suficientemente alto como para hacer funcionar altavoces o auriculares . Los amplificadores de potencia de audio se encuentran en todo tipo de sistemas de sonido, incluidos refuerzo de sonido , megafonía , sistemas de audio domésticos y amplificadores de instrumentos musicales como amplificadores de guitarra . Es la etapa electrónica final en una cadena de reproducción de audio típica antes de que la señal se envíe a los altavoces.

Las etapas anteriores en dicha cadena son amplificadores de audio de baja potencia que realizan tareas como preamplificación de la señal, ecualización y mezcla de diferentes señales de entrada . Las entradas también pueden ser cualquier número de fuentes de audio, como tocadiscos , reproductores de CD , reproductores de audio digital y reproductores de casetes . La mayoría de los amplificadores de potencia de audio requieren estas entradas de bajo nivel, que son de nivel de línea .

Mientras que la señal de entrada a un amplificador de potencia de audio, como la señal de una guitarra eléctrica, puede medir sólo unos pocos cientos de microvatios , su salida puede ser de unos pocos vatios para pequeños dispositivos electrónicos de consumo, como radios despertadores , decenas o cientos de vatios. para un sistema estéreo doméstico , varios miles de vatios para el sistema de sonido de un club nocturno o decenas de miles de vatios para un sistema de refuerzo de sonido de un gran concierto de rock. Si bien los amplificadores de potencia están disponibles en unidades independientes, generalmente dirigidas al mercado de audiófilos de alta fidelidad (un nicho de mercado) de entusiastas del audio y profesionales de sistemas de refuerzo de sonido, la mayoría de los productos de audio electrónicos de consumo , como radios despertadores, boomboxes y televisores tienen una potencia relativamente pequeña. amplificadores que están integrados en el producto.

Historia

Prototipo de amplificador de audio de De Forest de 1914.

El amplificador de audio fue inventado alrededor de 1912 por Lee de Forest . Esto fue posible gracias a su invención del primer componente eléctrico amplificador práctico, el tubo de vacío triodo (o "válvula" en inglés británico) en 1907. El triodo era un dispositivo de tres terminales con una rejilla de control que podía modular el flujo de electrones. desde el filamento hasta la placa. El amplificador de vacío triodo se utilizó para fabricar la primera radio AM . [2] Los primeros amplificadores de potencia de audio se basaban en válvulas de vacío y algunos de ellos lograban una calidad de audio notablemente alta (por ejemplo, el amplificador Williamson de 1947-1949).

McIntosh MC240 de 1961 con tubos de vacío expuestos

Los amplificadores de potencia de audio basados ​​en transistores se volvieron prácticos con la amplia disponibilidad de transistores económicos a finales de los años 1960. Desde la década de 1970, la mayoría de los amplificadores de audio modernos se basan en transistores de estado sólido , especialmente el transistor de unión bipolar (BJT) y el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET). Los amplificadores basados ​​en transistores son más livianos, más confiables y requieren menos mantenimiento que los amplificadores de válvulas .

El MOSFET , inventado por Mohamed Atalla y Dawon Kahng en Bell Labs en 1959, [3] fue adaptado a un MOSFET de potencia para audio por Jun-ichi Nishizawa en la Universidad de Tohoku en 1974. [4] Yamaha pronto fabricó MOSFET de potencia para su amplificadores de audio de alta fidelidad . JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba también comenzaron a fabricar amplificadores con MOSFET de potencia en 1974. [4] En 1977, Hitachi introdujo el LDMOS (MOS de difusión lateral), un tipo de MOSFET de potencia. Hitachi fue el único fabricante de LDMOS entre 1977 y 1983, tiempo durante el cual LDMOS se utilizó en amplificadores de potencia de audio de fabricantes como HH Electronics (serie V) y Ashly Audio , y se utilizó para música y sistemas de megafonía . [4] Los amplificadores de clase D tuvieron éxito a mediados de la década de 1980, cuando estuvieron disponibles MOSFET de conmutación rápida y de bajo costo. [5] Muchos amplificadores de transistores utilizan dispositivos MOSFET en sus secciones de potencia , porque su curva de distorsión es más parecida a la de un tubo . [6]

En la década de 2010, todavía hay entusiastas del audio, músicos (particularmente guitarristas y bajistas eléctricos , organistas Hammond y pianistas eléctricos Fender Rhodes , entre otros), ingenieros de audio y productores musicales que prefieren los amplificadores de válvulas, y lo que se percibe como un sonido de válvulas "más cálido" .

Parámetros de diseño

Cinco amplificadores de potencia de audio montados en rack utilizados en un sistema de refuerzo de sonido .

Los parámetros clave de diseño de los amplificadores de potencia de audio son la respuesta de frecuencia , la ganancia , el ruido y la distorsión . Estos son interdependientes; El aumento de la ganancia a menudo conduce a aumentos indeseables del ruido y la distorsión. Si bien la retroalimentación negativa en realidad reduce la ganancia, también reduce la distorsión. La mayoría de los amplificadores de audio son amplificadores lineales que funcionan en clase AB .

Hasta la década de 1970, la mayoría de los amplificadores utilizaban válvulas de vacío . Durante la década de 1970, los amplificadores de válvulas fueron reemplazados cada vez más por amplificadores basados ​​en transistores , que eran más livianos, más confiables y requerían menos mantenimiento. Sin embargo, los preamplificadores de válvulas todavía se venden en nichos de mercado , como por ejemplo entre los entusiastas de la alta fidelidad doméstica , los ingenieros de audio y los productores musicales (que utilizan preamplificadores de válvulas en las grabaciones de estudio para "calentar" las señales de los micrófonos), así como entre los guitarristas, bajistas y órganos Hammond eléctricos. reproductores, de los cuales una minoría continúa utilizando preamplificadores de válvulas, amplificadores de potencia de válvulas y unidades de efectos de válvulas . Mientras que los entusiastas de la alta fidelidad y los ingenieros de audio que realizan sonido en vivo o monitorean pistas en el estudio generalmente buscan amplificadores con la distorsión más baja, los intérpretes de instrumentos eléctricos en géneros como blues , rock y heavy metal , entre otros, usan amplificadores de válvulas porque como el overdrive natural que producen los amplificadores de válvulas cuando se les presiona con fuerza.

El amplificador Clase D , que es mucho más eficiente que los amplificadores Clase AB, ahora se usa ampliamente en productos de audio de electrónica de consumo , amplificadores de bajos y equipos de sistemas de refuerzo de sonido , ya que los amplificadores Clase D son mucho más livianos y producen mucho menos calor.

Filtros y preamplificadores

Dado que los dispositivos digitales modernos, incluidos los reproductores de CD y DVD, los receptores de radio y las grabadoras de cintas, ya proporcionan una señal "plana" a nivel de línea, el preamplificador no es necesario más que como control de volumen y selector de fuente. Una alternativa a un preamplificador separado es simplemente usar controles de conmutación y volumen pasivos, a veces integrados en un amplificador de potencia para formar un amplificador integrado .

Etapas de salida de potencia

Un micro amplificador de audio para aumentar la salida de fuentes de nivel de línea a auriculares o altavoces pequeños. Longitud del borde 4 cm, peso16  g , potencia de salida aprox. 0,1 W en una carga de 32 ohmios.

La última etapa de la amplificación, después de los preamplificadores, es la etapa de salida, donde se imponen las mayores exigencias a los transistores o válvulas. Por esta razón, las elecciones de diseño realizadas en torno al dispositivo de salida (para etapas de salida de un solo extremo, como en los amplificadores triodo de un solo extremo ) o dispositivos (para etapas de salida push-pull ), como la clase de operación de los dispositivos de salida. A menudo se toma como la descripción de todo el amplificador de potencia. Por ejemplo, un amplificador de Clase B probablemente tendrá solo los dispositivos de salida de alta potencia funcionando cortados durante la mitad de cada ciclo, mientras que los otros dispositivos (como el amplificador diferencial, el amplificador de voltaje y posiblemente incluso los transistores controladores) operan en Clase A. En un Etapa de salida sin transformador , los dispositivos están esencialmente en serie con la fuente de alimentación y la carga de salida (como un altavoz), posiblemente a través de algún condensador grande y/o resistencias pequeñas.

Nuevos desarrollos

Durante algunos años después de la introducción de los amplificadores de estado sólido, su sonido percibido no tenía la excelente calidad de audio de los mejores amplificadores de válvulas (ver amplificador de audio de válvulas ). Esto llevó a los audiófilos a creer que el "sonido de válvulas" o " sonido de válvulas" tenía una cualidad intrínseca debido a la propia tecnología de válvulas de vacío. En 1970, Matti Otala publicó un artículo sobre el origen de una forma de distorsión no observada anteriormente: la distorsión de intermodulación transitoria (TIM), [7] más tarde también llamada distorsión inducida por giro (SID) por otros. [8] Se descubrió que la distorsión TIM ocurre durante aumentos muy rápidos en el voltaje de salida del amplificador. [9]

TIM no apareció en mediciones de tono sinusoidal en estado estacionario, lo que ayudó a ocultarlo a los ingenieros de diseño antes de 1970. Los problemas con la distorsión TIM surgen de la reducción de la respuesta de frecuencia de bucle abierto de los amplificadores de estado sólido. Otros trabajos de Otala y otros autores encontraron la solución para la distorsión TIM, incluido el aumento de la velocidad de respuesta , la disminución del ancho de banda de frecuencia del preamplificador y la inserción de un circuito de compensación de retraso en la etapa de entrada del amplificador. [10] [11] [12] En los amplificadores modernos de alta calidad, la respuesta de bucle abierto es de al menos 20 kHz, cancelando la distorsión TIM.

El siguiente paso en el diseño avanzado fue el Teorema de Baxandall, creado por Peter Baxandall en Inglaterra. [13] Este teorema introdujo el concepto de comparar la relación entre la distorsión de entrada y la distorsión de salida de un amplificador. Esta nueva idea ayudó a los ingenieros de diseño de audio a evaluar mejor los procesos de distorsión dentro de un amplificador.

Aplicaciones

Amplificador de potencia de dos canales Pyle
Panel trasero de un sistema de refuerzo sonoro de tamaño mediano situado a un lado del escenario de un concierto de pop. La configuración incluye la consola de mezclas para el ingeniero de sonido (detrás) y los amplificadores de potencia, que están parcialmente apilados en un rack de 19 pulgadas a la derecha.

Las aplicaciones importantes incluyen sistemas de megafonía , sistemas de refuerzo de sonido para teatros y conciertos y sistemas domésticos como un estéreo o un sistema de cine en casa . Los amplificadores de instrumentos , incluidos los amplificadores de guitarra y los amplificadores de teclados eléctricos , también utilizan amplificadores de potencia de audio. En algunos casos, el amplificador de potencia de un amplificador de instrumento está integrado en un único "cabezal" de amplificador que contiene un preamplificador, controles de tono y efectos electrónicos. Estos componentes se pueden montar en un gabinete de altavoz de madera para crear un "amplificador combinado". Los músicos con necesidades de interpretación únicas y/o una necesidad de una amplificación muy potente pueden crear una configuración personalizada con preamplificadores de montaje en rack , ecualizadores y un amplificador de potencia separados montados en una caja de carretera de 19" .

Los amplificadores de potencia están disponibles en unidades independientes, que son utilizadas por entusiastas del audio de alta fidelidad y diseñadores de sistemas de megafonía (sistemas PA) y sistemas de refuerzo de sonido . Un usuario de amplificadores de potencia de alta fidelidad puede tener un amplificador de potencia estéreo para controlar los altavoces izquierdo y derecho y un amplificador de potencia de un solo canal (mono) para controlar un subwoofer . La cantidad de amplificadores de potencia utilizados en un entorno de refuerzo de sonido depende del tamaño del lugar. Una cafetería pequeña puede tener un único amplificador de potencia que controle dos altavoces PA. Un club nocturno puede tener varios amplificadores de potencia para los parlantes principales, uno o más amplificadores de potencia para los parlantes monitores (apuntando hacia la banda) y un amplificador de potencia adicional para el subwoofer. Un concierto en un estadio puede tener una gran cantidad de amplificadores de potencia montados en racks. La mayoría de los productos de sonido de electrónica de consumo , como televisores , equipos de sonido , sistemas de sonido de cine en casa , teclados electrónicos Casio y Yamaha , amplificadores de guitarra "combo" y equipos de sonido para automóviles tienen amplificadores de potencia integrados dentro del chasis del producto principal.

Ver también

Referencias

  1. ^ "1 - Amplificador integrado (todas las versiones)". Archivado desde el original el 24 de abril de 2011 . Consultado el 16 de enero de 2011 .Cyrus Audio: Archivo de productos: Cyrus One
  2. ^ El transistor en un siglo de electrónica. premionobel.org
  3. ^ "Repensar la densidad de energía con GaN". Diseño Electrónico . 21 de abril de 2017 . Consultado el 23 de julio de 2019 .
  4. ^ abc Duncan, Ben (1996). Amplificadores de potencia de audio de alto rendimiento. Elsevier . págs. 177–8, 406. ISBN 9780080508047.
  5. ^ Duncan, Ben (1996). Amplificadores de potencia de audio de alto rendimiento . Newnes. págs. 147-148. ISBN 9780750626293.
  6. ^ Fliegler, Ritchie; Eiche, Jon F. (1993). ¡Amperios! La otra mitad del rock 'n' roll. Corporación Hal Leonard . ISBN 9780793524112.
  7. ^ Otala, M. (1970). "Distorsión transitoria en amplificadores de potencia de audio transistorizados". Transacciones IEEE sobre audio y electroacústica . 18 (3): 234–239. doi :10.1109/TAU.1970.1162117. S2CID  13952562.
  8. ^ Jung, Walter G.; Stephens, Mark L. y Todd, Craig C. (junio de 1979). "Una descripción general de SID y TIM". Audio .{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  9. ^ Otala, Matti (junio de 1972). "Modificaciones del diseño de circuitos para minimizar la distorsión transitoria de intermodulación en amplificadores de audio". Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio . 20 (5).
  10. ^ Lammasniemi, Jorma; Nieminen, Kari (mayo de 1980). "Distribución de la tasa de cambio de la señal del fonógrafo". Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio . 28 (5).{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )
  11. ^ Petri-Larmi, M.; Otalá, M.; Lammasniemi, J. (marzo de 1980). "Umbral de detección psicoacústica de distorsión de intermodulación transitoria". Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio . 28 (3).
  12. ^ También se puede encontrar una discusión sobre características de diseño prácticas que pueden provocar o disminuir la limitación de la velocidad de respuesta y la intermodulación transitoria en amplificadores de audio, por ejemplo, en Hood, John Linsley (1993). "Capítulo 9". El arte de la electrónica lineal . Oxford: Butterworth-Heinemann. doi :10.1016/B978-0-7506-0868-8.50013-8. ISBN 978-0-7506-0868-8.
  13. ^ Baxandall, Peter (febrero de 1979) "Diseño de amplificador de potencia de audio" Archivado el 9 de junio de 2022 en Wayback Machine , revista Wireless World