Clase D, la mal llamada amplificación digital

La popularización de la mal llamada “amplificación digital” ha supuesto un cambio drástico en la percepción de lo que son los amplificadores y, por ende, receptores de A/V. Si hasta hace poco era posible valorar un amplificador por su peso, ahora ya no empieza a sorprendernos encontrarnos con sistemas de alta potencia que apenas pesan 10 kilos.

Esta amplificación de Clase D aventaja a los tradicionales clase AB (los hasta ahora más utilizados) gracias en parte a su alta eficiencia, lo que permite reducir la pérdida de energía, por lo que disfrutan de menos disipadores de calor o ventiladores reduciendo a la vez el peso global de un dispositivo de amplificación. Además, su pequeño tamaño y menor consumo simplifican el diseño de cualquier amplificador, ahorrando espacio y abaratando los costes. Técnicamente también consiguen una mejor relación señal/ruido (alrededor de los 100 dB) y distorsiones armónicas totales (THD) realmente bajas. Incluso los niveles de compatibilidad electromagnética los hacen adecuados para cumplir los próximos requerimientos europeos en cuanto a contaminación electromagnética.

Pero, ¿qué es la Clase D? ¿Porqué hablamos de amplificación digital? ¿Qué tienen que ver las fuentes conmutadas con las Clase D? ¿Qué inconvenientes ofrecen a las tradicionales clases A y AB? ¿Por qué aun se fabrican receptores y amplificadores de distintas clases de amplificación? Demos respuesta a estas y otras preguntas en el siguiente artículo.

Para entender qué es la Clase D, repasaremos previamente las otras cuatro clases de amplificación normalizadas en audio.

La Clase A es el amplificador tradicional, un amplificador totalmente lineal con la necesidad de una entrega de voltaje idéntica a la excursión dinámica entera demandada, es decir, la amplitud de la señal amplificada. Por ello, cobra especial importancia la fuente de alimentación, cual debe ser capaz de entregar como mínimo una señal cuyo voltaje sea el 200 % de la máxima señal de salida. Aunque este método es considerado aun hoy día como el sistema de amplificación más puro, resulta bastante ineficiente. Hablamos de eficiencia al relacionar el consumo de energía demandado en función de la entrega de energía (o potencia) en la salida, valor que se define en %. La eficiencia de un amplificador de Clase A apenas es de un 20 % (es decir, del 100 % de energía que el dispositivo consume, sólo el 20 % puede ofrecerse en su salida). El 80 % del resto de energía se transforma en calor, por lo que deben utilizarse potentes disipadores e incluso ventiladores.

La Clase B resulta más eficiente que la Clase A, gracias al uso de una configuración “push-pull”. El resultado es similar a utilizar dos amplificadores, uno para la parte positiva de una onda senoidal y otra para la parte negativa. El principal problema es el error durante la conmutación de estos dos amplificadores, que resulta en una distorsión llamada “cross-over”.

Si combinamos lo mejor de las dos anteriores clases, llegamos a los amplificadores de Clase AB, una combinación que resuelve eficientemente el problema de la baja eficiencia de la clase A y reduce sensiblemente la distorsión “cross-over”. De hecho, es el sistema de amplificación más utilizado en equipos domésticos, relegándose la clase A para soluciones más audiófilas.

Existe una cuarta clase, la Clase C, que al ser utilizado casi en exclusiva en transmisiones de radiofrecuencia, obviamos en este artículo.

Clase D

La “D” no significa para nada digital. De hecho, es obvio pensar que no tiene sentido entender al pie de la letra lo que significa “amplificador digital”, ya que si amplificamos una señal binaria compuesta de 0 y 1, ¿qué conseguiremos? ¿1 y 0 más grandes? En realidad hay mucha gente que se refiere a esta Clase D como amplificación digital por el hecho de que los dispositivos de salida trabajan o no trabajan (están o no operativos), siendo este funcionamiento muy similar al concepto binario (o 1 o 0). También le encontramos sentido en cuanto es posible utilizar una señal binaria (por lo tanto, “digital”) como guía o patrón para excitar correctamente los amplificadores.

El concepto de amplificador de conmutación de Clase D fecha de los años 50. Los primeros desarrollos eran amplificadores de conmutación con válvulas donde las limitaciones propias de las válvulas (como su baja corriente) reducían la eficiencia del amplificador, limitando la potencia de salida. A finales de los 60, los transistores bipolares se convirtieron en la alternativa práctica a las válvulas, permitiendo mejorar notablemente los amplificadores de conmutación con mayores eficiencias a bajas frecuencias.

A grandes rasgos, y para entendernos, la Clase D se basa en los mismos principios de las fuentes de alimentación conmutadas, los cuales repasamos en este mismo número de Cine en Casa en la sección Cara a Cara. La diferencia está en que es una señal de audio la que modula la acción de conmutar.

Ambas soluciones conmutadas utilizan la modulación de pulso ancho (PWM, Pulse-width Modulation) para controlar los ciclos de encendido y apagado de los transistores de conmutación de potencia. El resultado es un sistema de amplificación verdaderamente efectivo, gracias a una mínima pérdida de voltaje en la conmutación entre transistores durante la conducción, o lo que es lo mismo, que casi toda la energía se transfiera directamente a la carga. Durante el periodo de apagado no hay esencialmente ningún flujo de corriente.

Para aplicaciones de audio se utiliza una frecuencia muy alta (como mínimo cuatro o cinco veces el ancho de banda del espectro sonoro audible de 20.000 Hz) cuyos pulsos varían en ancho en función de la amplitud de la señal a amplificar. La señal de entrada, en forma analógica, se compara con una señal triangular, cuyo periodo está en función de la frecuencia de conmutación y su amplitud en correspondencia a la dinámica de la señal amplificada deseada. Hay quien describe este método de conversión como 1 Bit (Sharp hace tiempo que utiliza este sistema de amplificación bajo este nombre), pero lo importante es reconocer que este método de conversión es totalmente lineal (recuperando lo mejor de la Clase A): la relación entre la amplitud de audio y los pulsos de ancho variable en este sistema es perfectamente lineal.

La señal resultante de la anterior comparación dirige la salida de los transistores MOSFET.

Audio y Clase D

Los principios de la Clase D apuntaban a no ser un candidato adecuado para suplir los amplificadores de Clase AB. Aun así, el desarrollo de nuevos y avanzados semiconductores de potencia han permitido que la Clase D se utilice incluso en aplicaciones de sonido profesional. Actualmente los valores de relación señal/ruido son impecables y lo suficientemente lineales como para superar sin dificultad a la Clase A (y ya no hablemos en comparación a la popular Clase AB).

Las ventajas de la Clase D se refieren, casi en exclusiva, a su alta eficiencia, que permite pasar del 20 % práctico de la Clase AB a un 75 % en Clase D. Esta eficiencia, como ya hemos dicho, reduce la emisión de calor, lo que permite trabajar con dispositivos de baja temperatura. Así, se reduce la necesidad de recurrir a pesados y grandes disipadores de calor, siendo innecesario en potencias bajas el uso de ventiladores. También se reduce la necesidad de complicadas y pesadas fuentes de alimentación tradicionales, recurriendo en muchos casos a las últimas fuentes conmutadas. De hecho, vale la pena recordar que Clase D y fuente conmutada, aunque tengan cierto parecido tecnológico, no tienen porqué ir asociados de modo imperante.

En contra está el complicado diseño del filtro de salida. Como hemos dicho, la señal a amplificar va asociada a una señal triangular de muy alta frecuencia. El filtro de salida debe ser capaz de eliminar esta frecuencia, y no es suficiente con el uso de un típico filtro pasa-altos (todos somos conscientes de la importancia de los armónicos, por ejemplo). Lo primero destacable es la reducción de hasta 3 dB del ancho de banda del amplificador, y lo segundo el resultado final tras la eliminación de esta forma de onda de control. Al diseñar este filtro de salida es importante conseguir atenuar al máximo dicha frecuencia de transporte sin que se afecte a la banda de audio. Aun así, casi siempre quedan residuos que a veces intentan solucionar con drásticas ecualizaciones en la banda más aguda.

La clase D en esquema

Bajo estas líneas podemos observar un esquema básico de lo que la Clase D significa. La señal de entrada (que en este caso es una señal analógica pero puede ser un carro de datos binario) es utilizada junto una forma de onda triangular para controlar dos amplificadores, normalmente MOSFET, que, tras un filtro pasa-bajos, cuya misión es eliminar la onda triangular de muy alta frecuencia, genera la señal de alta potencia que alimenta las cajas acústicas.

El corazón o parte importante de la Clase D queda enmarcada dentro del recuadro en rojo, el modulador PWM.