1. Harry Baggen
ESTO ES
CLASE...
amplificadores de audio, de la A a la T
El amplificador final es la fuente de potencia de toda
instalación de audio. Su trabajo consiste en convertir una
pequeña señal alterna en una señal potente, adecuada para
poder trabajar con unos altavoces, con una distorsión lo más
pequeña posible. A lo largo de los años, desde la invención
de los sistemas de audio electrónicos, los diseñadores se han
enfrentado a este problema aportando diferentes soluciones.
Todo empezó con los amplificadores de Clase A...

2. Un poco más de ruido, una gran
cantidad de potencia adicional
Para mucha gente, la cantidad de potencia que un amplificador puede producir es un factor impor-
tante a la hora de juzgar sus características (¡Ah!, ¿su amplificador le proporciona 2 x 40 vatios?, ¡el
mío da 2 x 70!). Pero en la práctica, la potencia sólo juega un papel de menor importancia.
Podemos generar una gran cantidad de ruido con tan sólo aumentar un poquito la potencia. Si utili-
zamos un conjunto de altavoces que puede proporcionar un nivel de presión de sonido de 86 dB con
1 vatio (lo cual es un valor que establecen frecuentemente los fabricantes en las especificaciones de
los altavoces), este mismo sistema podría trabajar con 90 dB con tan sólo 2,5 vatios. Con 25 vatios
tendremos potencia suficiente para alcanzar los 100 dB. Esto ya es una potencia bastante más sería
(y también más perjudicial para nuestros oídos).
Nuestros oídos perciben cada incremento de 6 dB en el nivel de presión de sonido como si se hubie-
se doblado el nivel de volumen de dicho sonido, pero esto requiere a su vez un incremento de la
potencia en un factor de 4. Esto significa que si realmente queremos disponer de un amplificador
final más grande, con más potencia de la que actualmente tiene, necesitaremos un amplificador que
sea capaz de proporcionar, como mínimo, cuatro veces la potencia actual, para que notemos una
diferencia apreciable.
Generar una gran cantidad de potencia no es una tarea sencilla ramente, las propiedades específicas de los componentes semi-
para un amplificador. Para proporcionar suficiente potencia a los conductores que van a usarse. Si tuviésemos que trabajar con
altavoces conectados al amplificador es necesario realizar una transistores bipolares o FETs quot;idealesquot; sería mucho más fácil lle-
amplificación de tensión y una amplificación de corriente. Esto gar a construir buenos amplificadores. Por desgracia, todos los
se debe a que los altavoces tienen una eficiencia de un porcentaje componentes semiconductores adolecen de una no linealidad en
bastante reducido, lo que significa que necesitaremos generar sus características de amplificación, lo que produce a su vez pro-
una cantidad de vatios relativamente grande, si queremos obtener blemas mayores, especialmente cuando se trata del procesa-
un nivel de presión de sonido adecuado en nuestro salón. En el miento de señales analógicas. Este problema se puede minimizar
caso de la realización de conciertos y eventos al aire libre, se utilizando lazos de realimentación dimensionados adecuada-
requiere bastante más presión de sonido, lo que equivale a que la mente. También se producen otros efectos desagradables que
potencia necesaria pueda alcanzar fácilmente la cantidad de dependen de la configuración seleccionada, como puede ser el
varios kilovatios. Para producir una amplificación de potencia en problema de la distorsión de cruce.
un amplificador final se han desarrollado varios conceptos en los Especialmente con los grandes amplificadores, la generación
que se utilizan transistores normales bipolares o transistores de calor es otro factor que debe tenerse muy en cuenta. Esto
FETs para generar señal de salida de alta calidad y/o mejorar la nos puede llevar a efectos a térmicos de gran alcance, tales
eficiencia de la etapa de salida. (en este caso dejamos a como descontrol de la configuración de la corriente de reposo
un lado los amplificadores a válvulas). y la distorsión térmica de modulación.
Cuando diseñamos una etapa de Los amplificadores finales están clasificados normalmente de
salida el diseñador debe acuerdo a la configuración de su etapa de salida. Esta confi-
tener en cuenta, guración determina en gran medida su eficiencia y su calidad,
muy cla- y la etapa de salida es donde tiene lugar la verdadera amplifi-
cación de potencia.
Las distintas configuraciones de amplificadores que pueden
diseñarse utilizan letras del alfabeto, aunque dichas
letras no dicen nada sobre cómo trabajan
dichos amplificadores. Así, todo
empieza con la primera
letra del alfabeto.
33

4. Figura 1. Un
amplificador de
+UB
Clase A
Clase A tiene muy
Vamos a comenzar con la configuración más sencilla, el amplifi-
baja eficiencia, +UB cador final de Clase A, el cual es una de las mejores configura-
pero está totalmente
ciones que podemos utilizar para reproducción de audio de alta
libre de distorsión
de cruce. calidad. En su forma más básica, esta configuración puede
RL implementarse utilizando un seguidor de emisor estándar (ver
Figura 1). La corriente de reposo a través del transistor es igual a
0 la corriente de salida de pico en alterna (AC), lo que significa
que el transistor está alimentado a la mitad de su rango de trabajo
y sencillamente conduce más o menos corriente en función de
040102 - 11
una corriente alterna de control. La eficiencia de este amplifica-
dor es bastante baja: de un 25% con una amplitud de salida
Figura 2. En una +UB máxima, e incluso menos con niveles bajos de señal. Podemos
configuración en mejorar la eficiencia utilizando un diseño con alimentación simé-
+UB
Clase B cada trica que utilice dos transistores. Pero incluso en este caso, la efi-
transistor conduce +UB ciencia más alta que se puede alcanzar es tan sólo del 50 %.
durante la mitad de
un ciclo de la onda
senoidal. En este
RL
Clase B
modelo de La configuración de un amplificador en Clase B utiliza dos
amplificador el transistores, cada uno de los cuales conduce durante exacta-
problema aparece -UB
mente la mitad de un ciclo de la señal de entrada (ver Figura
en las cercanías del 2). En el estado de reposo, no circula ninguna corriente a tra-
-UB
punto de paso por vés de los transistores. La eficiencia de una etapa de salida en
cero.
040102 - 12
Clase B esta próxima al 78%, pero la principal desventaja de
-UB
esta configuración es la quot;distorsión de transferenciaquot; que se
produce cada vez que la carga debe transferir señal de un
Figura 3. Los transistor al otro. Esto nos lleva al problema de la distorsión
amplificadores en
de cruce, el cual produce una degradación bastante audible de
+UB var
Clase G utilizan una
la forma de onda de la señal.
fuente de Para solucionar este problema, los amplificadores en Clase A
alimentación y los de Clase B se pueden combinar para producir amplifica-
enganchada cuya dores en Clase AB. Esta nueva configuración equivale a una
tensión se ajusta configuración en Clase B en la que se permite que circule una
continuamente para Detección RL
Fuente de pequeña corriente de reposo a través de los transistores, lo
de Señal Alimentación
adaptarse a la Enganchada que provoca que la etapa de salida se comporte como si traba-
amplitud de la señal. jase en Clase A con niveles bajos de potencia. Esta aproxima-
ción se utiliza actualmente de varias formas en una gran can-
tidad de amplificadores finales. La eficiencia de esta nueva
configuración permanece aproximadamente igual a la de
34 -UB var 040102 - 13
Figura 4. Los
amplificadores en UB2
Clase H se limitan
ellos mismos a
conmutar entre
varias fuentes de
UB1
tensión diferentes
(en este caso dos).
RL
Electrónica
de control
UB1
UB2
040102 - 14

5. Clase B. con alta frecuencia, Clase D son tan amplificadores de Clase G y H, los cuales tienen una caracte-
lo que significa que, diferentes de rística importante en común. Dicha característica es que en
más o menos, quedan los amplificadores en ambas clases, la tensión de alimentación se ajusta de acuerdo
Clase G y H fuera del objetivo Clase A y Clase B que al tamaño de la señal de salida. En una configuración en
¡Alto, un momento! ¿No nos estamos inicial que nos hemos decidido Clase G (ver Figura 3), la tensión de alimentación se ajusta de
saltando algunas clases propusimos en este tratarlos de manera manera continua, para adaptarse a la amplitud deseada de la
de amplificación? Claro que sí, pero lo artículo. Por otra parte, separada. Por todo señal de salida. Este quot;seguimientoquot; de la tensión de alimenta-
hemos hecho a propó- los esto, nos van a permi-
sito. Las Clases C, E y F también existen, diseños de tir que echemos en
pero actualmente amplificadores en primer lugar una
elektor
sólo son adecuadas para amplificaciones pequeña ojeada a los

6. +UB Figura 5. Un
amplificador de
Clase D está
formado por un
modulador de
ancho de pulso con
Comparador
una etapa de salida
RL
Inversor de potencia y un
filtro paso/bajo.
-UB
Generador de
Onda
Triangular
040102 - 15
ción se puede implementar relativamente fácil utilizando las Esto se hace utilizando frecuencias de conmutación de valo-
fuentes de alimentación modernas conmutada aunque, claro res muy elevadas, normalmente 10 veces, como mínimo, más
está, también es importante disponer de un buen circuito altas que el ancho de banda de audio (lo que significa un
regulador que permita que la tensión de alimentación res- valor de 200 kHz o superior).
ponda suficientemente rápido a los cambios de la amplitud en Con esta forma de modulación, el ancho de pulsos depende
la señal generada por la etapa de salida. del nivel de la señal de entrada. Si colocamos un filtro
En una configuración en Clase H (ver Figura 4), lo que sucede paso/bajo después de la etapa de salida, la señal de ancho de
es esencialmente lo mismo que en una configuración en Clase pulsos es integrada y lo que queda es una señal analógica con
G, excepto en el detalle de que la tensión de alimentación se la misma forma que la señal de entrada pero, por supuesto,
conmuta entre diferentes niveles de tensión distintos (normal- amplificada.
mente dos) en lugar de realizar una variación continua. Esto Como la etapa de salida sólo tiene que conmutar, su eficiencia
permite que la disipación de la etapa de salida se pueda reducir es muy elevada. Sin embargo, también existe un cierto
de manera considerable, especialmente cuando estamos traba- número de desventajas en este comportamiento. Es bastante
jando con grandes cantidades de potencias de salida. más difícil conseguir que la forma de onda de la señal esté
libre de distorsión, por lo que se requiere un filtro de salida
robusto y se tienen que tomar medidas más drásticas para
Clase D limitar la radiación de interferencias. Para una amplificación
Con una configuración de amplificador en Clase D, la letra con baja distorsión siempre es necesario utilizar un lazo de
“D”no tienen nada que ver con algo como quot;digitalquot; (esto es tan realimentación negativa (analógico o digital).
sólo una coincidencia). Este tipo de amplificador hace referen-
cia a un amplificador de conmutación que utiliza modulación
de ancho de pulsos (ver Figura 5). La señal de entrada se com- Clases S y T
para con una forma de onda triangular y la señal proveniente Aunque el principio de funcionamiento de un amplificador en
del comparador conmuta la etapa de salida para trabajar con Clase D tiene ya una antigüedad de varias décadas, nunca llegó
una tensión de alimentación positiva o negativa. a ser considerada una aplicación de alta fidelidad verdadera-
Figura 6. Diagrama
de bloques de un
amplificador
Recuperación del Generación de Control de Master-S de la casa
Ciclo de Muestreo Reloj Maestro Altura de Pulso
Entrada de Sony.
Datos Pulso de Audio
Numérica de salida
Conversión a Conversión Generación de Controlador de
Alta Velocidad de Datos Pulso de Audio Pulso de
de Muestreo a PLM de Alta Precisión Alta Potencia
Borrado del Ciclo de Datos S-TACT Control de Altura de Pulso
elektor 040102 - 16

7. 35

8. Figura 7. El
amplificador Clase
T de tres caminos Procesador de Acondicionamiento
Adaptativo de la Señal
es una elaboración
“inteligente” del Procesamiento Predictivo
Salida
de
principio de Entrada Potencia
funcionamiento del del y
Amplificador Control de Detección Lógica
amplificador en Silencio de Sobrecarga
de
Cualificación
Clase D. En este
amplificador, un Detección Conversión
de Fallo Digital
procesador
monitoriza
constantemente la
Generación
señal de entrada y de Tensión
ajusta las señales 040102 - 17
de conmutación.
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mente establecida. Esto se debió principalmente a la distorsión
excesiva y a las fugas de los componentes semiconductores
buenos (transistores FETs de potencia rápidos). Mientras tanto,
distintos fabricantes han desarrollado variantes de este tema y,
en muchos casos, les han dado su propia designación. Así, por
ejemplo, la casa Crown llegó a desarrollar su amplificador en
Clase I; mientras que la casa Sony desarrollo su tecnología S-
Master; y la casa Tripath diseñó su amplificador en clase T. Por
desgracia, la graciosa secuencia alfanumérica ha sido abando-
nada en favor de las distintas designacioones generadas por los
fabricantes específicos. En su tecnología S-Master, la casa
Sony combinó distintas técnicas para conseguir obtener una
configuración de amplificador en Clase D adecuado para apli-
caciones de alta fidelidad doméstica. En este caso, el proceso
de convertir la señal entrante en su correspondiente señal de
ancho de pulso, se denomina quot;modulación por longitud de
pulso complementario” (C-PLM, del inglés “complementary
pulse length modulation”). Se puso una atención especial en la
supresión de pequeños picos esporádicos. Esto se consiguió uti-
lizando una señal de reloj extremadamente precisa y un circuito
denominado “clean data cycle” (es decir, “borrado del ciclo de
dato”), que corrige el posicionamiento de los pulsos de salida si
fuese necesario (ver Figura 6).
El método utilizado para implementar el control de volumen
es verdaderamente una característica poco habitual del com-
portamiento de la casa Sony. En un diseño de amplificador
normal en Clase D, la forma de onda de pulso completo esta
siempre presente en la salida, con una amplitud comprendida
entre 50 y 100 V pico a pico. Con señales de salida muy
pequeñas en particular, es muy difícil eliminar completamente
todas las componentes residuales de la forma de onda de
pulso proveniente de la señal filtrada. En el diseño de la casa
Sony, el volumen se regula a través del ajuste de la tensión de
alimentación para la etapa de salida. Esto evita que cualquier
información pueda llegar a perderse con niveles de señal
bajos. Esta técnica tiene un rango efectivo de 50 dBs.
Otra compañía diferente, Tripath, ha desarrollado una técnica
que, de acuerdo con ellos, combina la calidad de una señal de un
amplificador en Clase A con la eficiencia de los amplificadores
en Clase AB (en torno al 80 ó 90%). Esto se hace utilizando una
combinación de una circuitería analógica y digital, junto con
algoritmos digitales que modulan la señal de entrada utilizando
formas de onda de conmutación de alta frecuencia. Los algorit-
mos desarrollados por la casa Tripath han derivado de algorit-
mos adaptativos y predictivos ya utilizados en sistemas de tele-

9. de salida se almacena en primer lugar por medio de una etapa de impresión de sonido que recordarán los oyentes aficionados a
entrada. A partir de aquí la señal pasa a un bloque de Procesa- los amplificadores analógicos de audio.
miento Digital de Potencia que contiene el procesador de señal,
comunicación. Con una función de conversión digital, una conmutación de silencio
el amplificador de (“mute”), una protección de sobrecarga y una detección de error. El futuro
la casa Tripath, la El constante avance del audio digital ha hecho posible que
mayor La etapa de salida se controla por medio de una línea lógica de
parte de los circuitos cualificación y los altavoces se conectan a un filtro colocado a podamos encontrar últimamente alguna etapa de salida de
analógicos y digitales continuación de la etapa de salida. forma digital en muchos amplificadores de gran consumo.
Gracias a sus algoritmos especiales, el procesador de un Esto es debido a que disponen de una eficiencia más elevada,
están alojados en un
amplificador en Clase T está adaptado de manera continua a un tamaño más reducido y un coste de fabricación mucho más
único circuito
la magnitud de la señal de entrada. Con niveles bajos de bajo. Es difícil estimar si estos desarrollos también llegarán a
integrado, el cual
entrada, la frecuencia de conmutación es bastante elevada prevalecer en el reino de la alta calidad. Por ahora, tan sólo
también puede
(alrededor de 1,2 MHz). Esto tiene un efecto beneficioso en la están presentes en el mercado una pequeña cantidad de ampli-
incluir los tran-
calidad de la señal. La frecuencia de conmutación cae de ficadores digitales de alta fidelidad. Pero si queremos inten-
sistores de salida
manera gradual a medida que se incrementa el nivel de tarlo por nosotros mismos, podemos comenzar montando el
(dependiendo de la
entrada, de manera que se puede incrementar su eficiencia. La amplificador Clarity que se describe en uno de los artículos
potencia). El diagrama
frecuencia de conmutación última alcanza su valor más bajo de este número.
de
(alrededor de 200 kHz) cuando la salida está controlada por (040102-1)
bloques de este
amplificador se una amplitud máxima. A pesar de esto, un tipo de forma de
muestra en la ruido se aplica al pico de la señal de salida para mejorar la
Figura 7. La señal forma de onda de la señal. Como resultado de todas estas elektor
medidas, el amplificador en Clase T puede proporcionar una