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AMPLIFICACIÓN CLASE D. Nuevos horizontes.

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Hay tecnologías cuya aplicación se va ampliando con el paso del tiempo. En su origen, la amplificación clase D no tuvo una gran difusión en las electrónicas de gama alta, pero su excelente rendimiento, tanto en términos de tamaño como de consumo, ha hecho que hoy en día veamos una mayor difusión de la que pensábamos hace unos años.

Texto: Fernando DE LA FUENTE

Dado que no son pocos los fabricantes que están empleando la clase D en sus más recientes modelos, es interesante conocer en detalle las características de dicha amplificación para conocer sus ventajas e inconvenientes respecto a las mucho más frecuentes clase A y clase AB.

No obstante, a modo de recordatorio, también haremos un breve repaso sobre dichas electrónicas, de modo que nuestros lectores puedan valorar lo que representa la clase D con mayor profundidad:

En el caso de la clase A, la electricidad circula durante todo el ciclo de la señal de entrada en un único transistor. La corriente de polarización del transistor de salida es alta y constante durante todo el proceso, independientemente de que haya o no salida de audio. La distorsión introducida es muy baja, pero el rendimiento también lo será, estando siempre por debajo del 50%. Eso significa que la otra mitad de la corriente amplificada será disipada en forma de calor.

En lo que se refiere a la clase AB, es aquella en la que durante un ciclo la corriente circula y es amplificada por un solo transistor. Durante otro ciclo circula y es amplificada por otro distinto, lo que permite un descanso de un semiciclo a cada transistor y uno de trabajo y disipación de potencia. Además, no circula corriente a través de la salida cuando no hay señal de audio.

El problema es que ocurre la llamada “distorsión por cruce”, ya que cuando en el primer ciclo la tensión de la señal cae por debajo de los 0.6 V, se despolariza y deja de amplificar, lo cual también ocurre cuando en el otro ciclo, ésta no llega todavía a los 0.6 V. En resumen, en el caso de una senoidal, tendríamos 1.2 V no amplificados.

También se habla de las clases E, G y H. Éstas no están tan estandarizadas como la A y la B. El amplificador en clase E es de pulsos (su rendimiento puede ser muy elevado) cuya salida se encuentra sintonizada a un determinado ciclo. Suele ser empleado en aplicaciones de radio cuando se trabaja sobre una única frecuencia o bien en un margen muy estrecho. No se utiliza en audio. La clase G se refiere a amplificadores conmutados que tienen dos fuentes de alimentación diferentes. La del amplificador se conecta al voltaje menor para señales débiles y al mayor para las más fuertes. Esto da más eficiencia sin la necesidad de conmutar etapas de salida, de tal modo que pueden sonar mejor que los amplificadores clase D. La H se basa en emplear un amplificador en clase D o una fuente conmutada para alimentar a uno en clase AB o A. De este modo, presenta un excelente rendimiento y tiene el sonido de uno bueno de clase AB. La clase H es muy empleada en etapas profesionales.

Centrándonos en lo que se refiere a la clase D, ésta emplea elementos activos trabajando en corte o en saturación, por lo que el rendimiento respecto de las topologías expuestas hasta ahora aumenta hasta valores superiores al 90%. Esto permite diseños más compactos y menos pesados. El empleo de un bucle de control en lazo cerrado es muy importante para conseguir niveles de distorsión armónica similares a los diseños tradicionales. En este tipo de amplificador, la señal de audio es codificada mediante PWM o modulación de ancho de pulso, de manera que la información de amplitud y frecuencia está contenida en el ciclo de trabajo de la conmutación de los transistores de la etapa de potencia.

Los bloques que forman el amplificador son los siguientes:



- Etapa de entrada. En esta etapa se encuentra el control de ganancia, filtrado de paso bajo para evitar inestabilidad del circuito de control y el desbalanceador.



- Control. Para mejorar la THD (distorsión armónica total) del sistema puede emplearse un control de tensión en circuito cerrado. Se realimenta la de salida filtrada para compensar el desfase y las imperfecciones de la etapa de potencia. Este bloque es el encargado de anular los errores entre la referencia y la señal de salida.



- Generador PWM. Es el encargado de generar la señal PWM a partir de la moduladora y la portadora. Se emplea como portadora una señal triangular con una frecuencia entre 200 kHz y 400 kHz, y como moduladora la señal de salida del control. Este proceso se llevará a cabo mediante un comparador analógico capaz de trabajar a la frecuencia de la señal moduladora.



- Semipuente. Está formado por dos células de conmutación bidireccionales en corriente. Se han empleado transistores MOSFET de potencia de canal N (lo que permite un diseño más eficiente), alimentados mediante una fuente de CC correctamente desacoplada para evitar el efecto de pumping inherente al modo de funcionamiento del amplificador en clase D.



- Filtro. Un diseño correcto del filtro de salida presenta múltiples ventajas como, por ejemplo, limitar el consumo de corriente, minimizar el ruido de conmutación (EMI) o proteger al altavoz de los armónicos de alta frecuencia. Estos tonos deben ser suficientemente atenuados. La amplitud de la portadora después del filtro debe ser como máximo un 5% de la de la moduladora amplificada (primer armónico), permitiendo que la banda pasante (hasta 20 kHz) no se vea modificada ni en amplitud ni en fase. De los distintos tipos de ajustes se debe utilizar uno que presente una respuesta muy plana en la banda pasante, resonancia amortiguada en la frecuencia de corte (entre 15 kHz y 25 kHz en función de la frecuencia PWM), y un número limitado de componentes.



- Protecciones. Las más importantes son contra sobrecorriente, contra sobretensión y contra CC a la salida. Éstas actuarán sobre la etapa de modulación, impidiendo la conmutación a ON de las células en caso de error.



- Ganancia de realimentación (ß). Esta ganancia permitirá adaptar el nivel de la tensión de salida de manera que pueda ser introducido en el circuito de control.



Uno de los mayores atractivos de la clase D es que su funcionamiento puede considerarse (no sin ciertas reservas) como digital, ya que la amplificación de la señal de audio se lleva a cabo mediante el muestreo de la analógica, obteniendo una codificación de ancho de pulso con una cuantificación de 1 bit. En general, esta codificación se lleva a cabo de forma analógica mediante la comparación de la señal de entrada con una triangular de frecuencia mucho mayor que la máxima de la señal de audio, de manera que puede evitarse el fenómeno de aliasing. Dado que los sistemas actuales de soporte y reproducción de audio están basados en procesos digitales, es preciso convertir el flujo de datos digital a analógico, para poder llevar a cabo la amplificación mediante cualquiera de los procedimientos descritos hasta ahora. El empleo de convertidores D/A añade distorsión a la señal de referencia, por lo que un previo y una etapa de potencia cuidadosamente diseñadas pueden resultar inútiles frente a un D/A de mala calidad. La ventaja de la clase D es que la señal digital de entrada puede ser amplificada sin la necesidad de convertidores, mediante el empleo de distintas técnicas de conversión PCM a PWM. En ésta es muy frecuente el uso de técnicas de noise shaping para reducir el ruido debido a la cuantificación de la señal, lo que mejora el THD de manera significativa. Este medio se basa en una técnica determinística que emplea un cuantificador fino insertado en un circuito de realimentación para conseguir alterar la distribución del ruido de cuantificación inherente a la señal digital, que obtiene un error menor. Mediante el empleo de DSP, es posible integrar por tanto en un solo aparato el proceso digital habitual (filtros, retardos, crossovers...) y la amplificación sin la necesidad de emplear convertidores D/A. Esto repercute tanto en la calidad como en el coste del producto final. El último paso natural del proceso consiste en encontrar transductores capaces de reproducir la señal digital amplificada. A pesar de que, durante muchos años, el diseño de altavoces ha permanecido relativamente inalterado, salvo en lo que se refiere a materiales constructivos, actualmente se trabaja para conseguir reproducir directamente la señal digital empleando básicamente dos métodos: múltiples bobinados conectados al mismo cono (MVC) o múltiples altavoces formando una matriz o array (DTA). El primero de ellos consiste en emplear tantos bobinados como bits presentes en la señal digital, realizándose la conversión digital/analógico en el campo magnético del altavoz, mientras que el segundo precisa de altavoces, siendo el número de éstos el principal problema, aunque diversas técnicas pueden ser empleadas para reducir este número a una cantidad razonable. En este último caso, la conversión D/A se produce en el dominio acústico.

Para llevar a cabo un diseño robusto capaz de cumplir con las exigencias del mercado profesional, deben tenerse en cuenta algunas consideraciones importantes como las que se citan a continuación:



- Carga a la salida. A pesar de que el diseño del amplificador suele hacerse para una carga constante modelada como una resistencia, la impedancia que éste debe manejar no es en absoluto resistiva. En concreto, depende del altavoz y del recinto acústico donde esté montado, presentando grandes variaciones del valor nominal que aporta el fabricante. Por otro lado, el amplificador debe estar preparado para enfrentarse a condiciones de circuito abierto y cortocircuito, y en ningún caso éstas deben dañar ni el amplificador ni el altavoz. Un aspecto muy importante es que cualquier disfunción del primero puede repercutir en sonidos desagradables que molestarían al oyente. Esto último es un aspecto importante que el diseñador debe siempre tener en cuenta.



- Potencia de salida. El estudio de la potencia media de una señal de audio revela que ésta es hasta 12 dB menor que la de pico. Esto permite relajar el diseño térmico de la etapa de amplificación y condiciona el de la fuente de alimentación, la cual debe ser capaz de mantener la tensión estable a pesar de los picos de potencia. Teniendo en cuenta lo expuesto hasta ahora, no es necesario el diseño de una fuente capaz de proporcionar la potencia de pico de forma prolongada, aunque sí deberá ser capaz de hacerlo durante un tiempo razonable, el cual dependerá de varios factores, entre los que se incluye la calidad que se pretenda en el producto final.



- Tamaño y peso. Una vez que se decide diseñar una etapa de amplificación en clase D, uno de los objetivos principales debe ser obtener un diseño compacto y ligero que justifique de forma visible el empleo de una tecnología distinta a la habitual.



- Proceso digital de la señal mediante DSP. Si se opta por la modulación digital, resulta muy interesante incluir funciones en la etapa de potencia propias de procesadores digitales autónomos como son filtros paramétricos, limitadores, compresores, crossovers, retardo, etc.



Por último y como conclusión, diremos que los amplificadores de clase D tienen un elevado rendimiento energético, superior en algunos casos al 95%, y eso reduce las dimensiones de los disipadores de calor necesarios y, por tanto, el tamaño y peso general del circuito.

En el pasado, se limitaban a dispositivos portátiles o subwoofers, en los que la distorsión o el ancho de banda no son factores determinantes. Con tecnologías más modernas existen amplificadores de clase D para toda la banda de frecuencias, con niveles de distorsión similares a los de clase AB.

Los amplificadores de clase D requieren un minucioso diseño para minimizar la radiación electromagnética que emiten, y evitar así que interfieran en equipos cercanos, típicamente en la banda de FM. Actualmente, y teniendo en cuenta que estas limitaciones ya están superadas, numerosos fabricantes están optando por este camino, que aún tiene cosas que demostrar, especialmente para los oídos más puristas que se resisten a emplear este tipo de amplificación. No obstante, y dada la mejoría que han experimentado, es posible que en un plazo medio veamos a varios constructores de prestigio utilizar estos sistemas.