Amplificador de potencia de audio
Amplificador de audio con potencia de salida suficiente para accionar un altavoz
Amplificador de potencia de audio estéreo fabricado por McIntosh
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 ) 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 accionar altavoces o auriculares . Los amplificadores de potencia de audio se encuentran en todo tipo de sistemas de sonido, incluidos los de refuerzo de sonido , megafonía , sistemas de audio domésticos y amplificadores de instrumentos musicales como los 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 de esta cadena son amplificadores de audio de baja potencia que realizan tareas como la preamplificación de la señal, la ecualización y la 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 .

Aunque la señal de entrada a un amplificador de potencia de audio, como la señal de una guitarra eléctrica, puede medir solo 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 gran sistema de refuerzo de sonido de un 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, muchos productos de audio electrónicos de consumo , como un amplificador integrado , un receptor , radios despertadores, estéreos portátiles y televisores, tienen un preamplificador y un amplificador de potencia contenidos en un solo chasis.

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 puede 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 tubos de vacío y algunos de ellos lograron una calidad de audio notablemente alta (por ejemplo, el amplificador Williamson de 1947-9).

McIntosh MC240 de 1961 con tubos de vacío expuestos

Los amplificadores de potencia de audio basados ​​en transistores se hicieron prácticos con la amplia disponibilidad de transistores económicos a fines de la década de 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 de metal-óxido-semiconductor (MOSFET). Los amplificadores basados ​​en transistores son más livianos, más confiables y requieren menos mantenimiento que los amplificadores de válvulas .

El MOSFET fue inventado en Bell Labs entre 1955 y 1960. [3] [4] [5] [6] [7] [8] fue adaptado como un MOSFET de potencia para audio por Jun-ichi Nishizawa en la Universidad de Tohoku en 1974. [9] Yamaha pronto fabricó MOSFET de potencia para sus amplificadores de audio de alta fidelidad . JVC , Pioneer Corporation , Sony y Toshiba también comenzaron a fabricar amplificadores con MOSFET de potencia en 1974. [9] En 1977, Hitachi introdujo el LDMOS (lateral spreaded MOS), un tipo de MOSFET de potencia. Hitachi fue el único fabricante de LDMOS entre 1977 y 1983, tiempo durante el cual el LDMOS se utilizó en amplificadores de potencia de audio de fabricantes como HH Electronics (serie V) y Ashly Audio , y se utilizaron para sistemas de música y megafonía . [9] Los amplificadores de clase D tuvieron éxito a mediados de la década de 1980 cuando se pusieron a disposición los MOSFET de conmutación rápida y de bajo costo. [10] 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 . [11]

En la década de 2010, todavía hay entusiastas del audio, músicos (en particular guitarristas eléctricos , bajistas eléctricos , intérpretes de órganos Hammond y pianistas eléctricos Fender Rhodes , entre otros), ingenieros de audio y productores musicales que prefieren los amplificadores basados ​​en 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 de diseño clave para los amplificadores de potencia de audio son la respuesta de frecuencia , la ganancia , el ruido y la distorsión . Estos son interdependientes; aumentar la ganancia a menudo conduce a aumentos indeseables en el 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 usaban 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 aún se venden en mercados nicho , como entusiastas de alta fidelidad domésticos , ingenieros de audio y productores musicales (que usan preamplificadores de válvulas en grabaciones de estudio para "calentar" señales de micrófono) y guitarristas eléctricos, bajistas eléctricos y órganos Hammond , de los cuales una minoría continúa usando preamplificadores de válvulas, amplificadores de potencia de válvulas y unidades de efectos de válvulas . Mientras que los entusiastas de alta fidelidad y los ingenieros de audio que hacen 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 , música rock y música heavy metal , entre otros, usan amplificadores de válvulas porque les gusta la saturación natural que producen los amplificadores de válvulas cuando se los presiona al máximo.

El amplificador de clase D , que es mucho más eficiente que los amplificadores de clase AB, ahora se usa ampliamente en productos de audio electrónicos de consumo , amplificadores de bajos y equipos de sistemas de refuerzo de sonido , ya que los amplificadores de 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 casete, 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 independiente es simplemente utilizar controles pasivos de volumen y conmutación, a veces integrados en un amplificador de potencia para formar un amplificador integrado .

Etapas de salida de potencia

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

La etapa final de la amplificación, después de los preamplificadores, es la etapa de salida, donde se imponen las mayores exigencias a los transistores o tubos. Por este motivo, las decisiones de diseño que se toman en torno al dispositivo de salida (para etapas de salida de un solo extremo, como en los amplificadores de triodo de un solo extremo ) o dispositivos (para etapas de salida push-pull ), como la clase de funcionamiento de los dispositivos de salida, se suelen tomar 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 en modo de corte durante la mitad de cada ciclo, mientras que los demás dispositivos (como el amplificador diferencial, el amplificador de tensión y posiblemente incluso los transistores de control) funcionan en clase A. En una 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 pequeñas resistencias.

Desarrollos futuros

Durante algunos años después de la introducción de los amplificadores de estado sólido, el 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 el sonido de válvulas tenía una calidad intrínseca debido a la propia tecnología de las 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), [12] más tarde también llamada distorsión inducida por slew (SID) por otros. [13] Se descubrió que la distorsión TIM se producía durante aumentos muy rápidos en el voltaje de salida del amplificador. [14]

La distorsión TIM no apareció en las mediciones de tono sinusoidal en estado estable, lo que ayudó a ocultarla de los ingenieros de diseño antes de 1970. Los problemas con la distorsión TIM se derivan de la respuesta de frecuencia de bucle abierto reducida de los amplificadores de estado sólido. Trabajos posteriores 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 retardo en la etapa de entrada del amplificador. [15] [16] [17] En los amplificadores modernos de alta calidad, la respuesta de bucle abierto es de al menos 20 kHz, lo que cancela la distorsión TIM.

El siguiente paso en el diseño avanzado fue el Teorema de Baxandall, creado por Peter Baxandall en Inglaterra. [18] 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 de sonido de tamaño mediano ubicado en un lateral del escenario durante un concierto de música pop. El equipo incluye la consola de mezclas para el ingeniero de sonido (de pie detrás) y los amplificadores de potencia que están parcialmente apilados en un rack de 19 pulgadas a la derecha.

Entre las aplicaciones más importantes se incluyen los sistemas de megafonía , los sistemas de refuerzo de sonido para teatros y conciertos y los sistemas domésticos, como los equipos estéreo o los sistemas 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 instrumentos está integrado en un único "cabezal" amplificador que contiene un preamplificador, controles de tono y efectos electrónicos. Estos componentes se pueden montar en un gabinete de altavoces de madera para crear un "amplificador combinado". Los músicos con necesidades de interpretación únicas o con una necesidad de amplificación muy potente pueden crear una configuración personalizada con preamplificadores, ecualizadores y un amplificador de potencia montados en bastidor independientes en un estuche 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 accionar los altavoces izquierdo y derecho y un amplificador de potencia de un solo canal (mono) para accionar un subwoofer . La cantidad de amplificadores de potencia utilizados en un entorno de refuerzo de sonido depende del tamaño del lugar. Una pequeña cafetería puede tener un solo amplificador de potencia que acciona dos altavoces PA. Una discoteca puede tener varios amplificadores de potencia para los altavoces principales, uno o más amplificadores de potencia para los altavoces de monitor (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 bastidores. La mayoría de los productos de sonido de electrónica de consumo , como televisores , equipos de música , sistemas de sonido de cine en casa , teclados electrónicos Casio y Yamaha , amplificadores de guitarra "combo" y estéreos de automóvil tienen amplificadores de potencia integrados dentro del chasis del producto principal.

Véase 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. nobelprize.org
  3. ^ US2802760A, Lincoln, Derick & Frosch, Carl J., "Oxidación de superficies semiconductoras para difusión controlada", publicado el 13 de agosto de 1957 
  4. ^ Frosch, CJ; Derick, L (1957). "Protección de superficies y enmascaramiento selectivo durante la difusión en silicio". Revista de la Sociedad Electroquímica . 104 (9): 547. doi :10.1149/1.2428650.
  5. ^ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Springer Science & Business Media . pág. 120. ISBN. 9783540342588.
  6. ^ KAHNG, D. (1961). "Dispositivo de superficie de dióxido de silicio y silicio". Memorándum técnico de Bell Laboratories : 583–596. doi :10.1142/9789814503464_0076. ISBN 978-981-02-0209-5.
  7. ^ Lojek, Bo (2007). Historia de la ingeniería de semiconductores . Berlín, Heidelberg: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. pág. 321. ISBN 978-3-540-34258-8.
  8. ^ Ligenza, JR; Spitzer, WG (1960). "Los mecanismos de oxidación del silicio en vapor y oxígeno". Revista de Física y Química de Sólidos . 14 : 131–136. doi :10.1016/0022-3697(60)90219-5.
  9. ^ abc Duncan, Ben (1996). Amplificadores de potencia de audio de alto rendimiento. Elsevier . págs. 177–8, 406. ISBN 9780080508047.
  10. ^ Duncan, Ben (1996). Amplificadores de potencia de audio de alto rendimiento . Newnes. págs. 147-148. ISBN 9780750626293.
  11. ^ Fliegler, Ritchie; Eiche, Jon F. (1993). ¡Amplificadores! La otra mitad del rock and roll. Hal Leonard Corporation . ISBN 9780793524112.
  12. ^ Otala, M. (1970). "Distorsión transitoria en amplificadores de potencia de audio transistorizados". IEEE Transactions on Audio and Electroacoustics . 18 (3): 234–239. doi :10.1109/TAU.1970.1162117. S2CID  13952562.
  13. ^ Jung, Walter G.; Stephens, Mark L. y Todd, Craig C. (junio de 1979). "Una visión general de SID y TIM". Audio .{{cite journal}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  14. ^ Otala, Matti (junio de 1972). "Modificaciones del diseño de circuitos para minimizar la distorsión de intermodulación transitoria en amplificadores de audio". Journal of the Audio Engineering Society . 20 (5).
  15. ^ 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}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  16. ^ Petri-Larmi, M.; Otala, M.; Lammasniemi, J. (marzo de 1980). "Umbral de detección psicoacústica de la distorsión de intermodulación transitoria". Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio . 28 (3).
  17. ^ También se puede encontrar un análisis de las características prácticas de diseño que pueden provocar o reducir la limitación de la velocidad de respuesta y la intermodulación transitoria en los amplificadores de audio, por ejemplo, en Hood, John Linsley (1993). "Cap. 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.
  18. ^ 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
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