Autor:  Ing. Alberto H. Picerno (SE17810).

Vamos a realizar un ejercicio didáctico sobre amplificadores de audio. Para el siguiente amplificador estereofónico de 5W, vamos a analizar su entrada mediante el programa Multisim.  Esa sección tiene sobre todo una fuerte realimentación de CC que estabiliza el punto de trabajo del amplificador en la mitad de la tensión de fuente. En este artículo vamos a estudiar el efecto de esa realimentación y vamos a presentar la etapa de entrada en donde se realiza la realimentación de CA del amplificador.

El Multisim como sus versiones anteriores tiene una sección de informes técnicos o de análisis específicos que se manejan independientemente de la simulación y que muchas veces son ignorados por parecer que su aplicación es muy difícil. En realidad una vez que uno se acostumbra a usar la sección de análisis, resulta muy simple de usar y tienen un uso extraordinario. 

Realmente el autor se quedó sorprendido cuando descubrió que un circuito puede analizarse según los análisis que se pueden observar en la figura 1.

En nuestro caso vamos a realizar un análisis de temperatura sobre el transistor driver para observar cómo se modifica la tensión continua de salida entre 0 y 100 °C. 

 ANÁLISIS DE TEMPERATURA

En la figura 2 se puede observar el circuito parcial del transistor driver que nos permitirá observar cómo se modifica la tensión de colector al variar la temperatura. Observe que dado que los transistores de salida son complementarios sus variaciones de barrera se compensan de modo que la variación de colector del driver se reproduce directamente sobre la salida. La tensión de colector se individualiza por el nodo correspondiente a ese electrodo. Estos nodos se fueron asignando automáticamente al construir el circuito. Para saber de qué nodo se trata, basta con apuntar con el cursor en forma de flecha sobre alguno de los cables de colector y veremos que aparece un cuadro indicando NODO NAME 1 (note que para que aparezca este cuadro no debe estar abierto el cuadro de diálogo de temperatura).

Figura 2                                                           Figura 3

Con SIMULATE/ANALYSES/TEMPERATURE SWEEP aparece un cuadro de diálogo como el de la figura 3 con varias solapas.

La primera, "analysis parameters" es la que corresponde a la selección exacta del análisis. En la ventana superior vuelve a aparecer el tipo de análisis porque en algunos casos existe la posibilidad de realizar más de uno, englobado en un tipo general. En nuestro caso no hace falta elegir nada más. 

En la ventana inferior izquierda, se elige el tipo de variación del parámetro temperatura que puede ser con una variación lineal, por octavas, por décadas o por una lista que se ubica en la ventana de la derecha.

Por ejemplo allí ubicamos los valores desde 0 hasta 100 °C con saltos de 10 en 10 grados. Luego se debe entrar en la segunda solapa "output variables" que corresponde a la  selección de la variable de salida. 

 Allí observamos que se presentan todos los nodos del circuito y todas las mallas individualizadas por la correspondiente fuente .  En nuestro caso seleccionamos el nodo 2 y pulsamos posteriormente "plot during simulation" (dibujar durante la simulación) para que la variable aparezca en el segundo cuadro. Ver la figura 4.

Ahora solo basta con presionar sobre "simulate" para que se genere la gráfica deseada que se presenta como una familia de curvas o rectas con la temperatura como parámetro. Ver la figura 5.

Figura 4                                                        Figura 5

En la pantalla original el cursor con forma de flecha señalaba la cuarta recta empezando desde arriba, por eso se puede observar en la parte inferior la leyenda 40°C. A la derecha de cada curva se puede leer la tensión de colector en voltios. Aquí observamos que se produce una variación de menos de 1 V entre 0 y 100°C que la consideramos aceptable. El eje X de la gráfica es el tiempo, es decir que se puede observar cómo la tensión de colector varía en función de la temperatura a medida que transcurre el tiempo. Este eje puede expandirse o contraerse a voluntad partiendo del cuadro de diálogo de la solapa 1 y pulsando primero en el botón MORE (más) para que aparezca un cuadro de diálogo más completo en donde se debe pulsar "edit analysis". En el cuadro de edición del análisis se puede elegir el tiempo de partida y el tiempo de finalización como se observa en la figura 6.

Figura 6                                                     Figura 7  

Otro análisis de temperatura que debemos realizar obligatoriamente es el del transistor compensador de las barreras de los transistores de salida. Recuerde que este componente debe generar una tensión de 1,6V aproximadamente pero que debe variar a razón de –5mV/°C para compensar las dos barreras de los transistores cuasicomplementarios. Ver la figura 7.

Observe que entre 0 y 100°C la tensión se reduce en 210mV lo que significa una reducción de 2,1mV por grado centígrado que es perfectamente aceptable en nuestro caso. Esta prueba es solamente una prueba parcial sobre el dispositivo de control pero en realidad lo que nos interesa es que se conserve relativamente constante la corriente por el par de salida cuando varía la temperatura dentro de un límite aceptable.

Las mediciones de corriente se realizan por los brazos del circuito (también llamados mallas en América latina equivalente a "branches" en Ingles); así que generalmente se deben preparar los mismos para analizar la malla deseada. En la figura 8 observamos como se modificó el circuito general utilizando dos baterías. Luego de tener el circuito preparado  se  debe seleccionar la opción de análisis de temperatura y por último seleccionar la gama de temperatura en la solapa 1 (de 0 a 100 °C en nuestro caso) y elegir las variables de salida en la solapa 2, tal como se puede observar en la figura 9.

Figura 8                                                          Figura 9  

Se pulsa "simulate" y así fue como el autor se llevó una sorpresa. La corriente a 100°C fue superior a los 150mA. 

Evidentemente el circuito no controlaba adecuadamente la temperatura.

Un sesudo análisis (en realidad mediciones con el téster del Multisim) indicó el error; el transistor de control nunca llegaba a tener una tensión de barrera que lo hiciera conducir. La corriente del par de salida se ajustaba con la suma de las resistencias del divisor de base; esa resistencia debía ser más elevada. En el circuito de la figura 10 se corrigió el error y se pidió un nuevo análisis de temperatura que indicó que la corriente del par solo varía entre 13 y 30mA cuando la temperatura se eleva desde 0 a 100°C.

Figura 10  

Observe que el gráfico tiene varias solapas. En efecto cada vez que se solicita un análisis se genera un nuevo gráfico que queda guardado con un número de orden correlativo. Para abrir otro gráfico solo se necesita picar sobre la solapa correspondiente.

Un amplificador de potencia debe tener una sensibilidad del orden de los 600mV a nivel de recorte, una impedancia de entrada de unos 50k. y un rango de respuesta de 20Hz a 20kHz. 

En general la especificaciones solo se pueden cumplir cuando se diseña una etapa de entrada que refuerza las características del amplificador básico. 

Las características de nuestro amplificador no están muy lejos de los requerimientos, salvo para la impedancia de entrada que es relativamente baja. Por lo tanto se impone un etapa de entrada con un transistor en emisor común (el clásico amplificador de tensión) para levantar la impedancia y para aumentar la amplificación que posteriormente se compensará con realimentación.

La sensibilidad del amplificador de potencia es de 48mV; es decir 10 veces mayor que lo necesario, el preamplificador puede amplificar 30 veces sin inconvenientes dando una sensibilidad bruta total 40 veces superior a la necesaria. Eso significa que se lo puede realimentar en la misma proporción para mejorar la distorsión y la respuesta en frecuencia. En la figura 11 se puede observar el circuito completo con la realimentación incluida.

Las mediciones fundamentales de este amplificador se pueden realizar observando el generador de funciones luego de ajustar la salida a nivel de recorte.  Como se observa la sensibilidad es de 350mV que es mayor a la solicitada. En cuanto a la respuesta en frecuencia se observa que es también mayor a la solicitada sobre todo en agudos. En efecto moviendo el cursor del medidor de Bode se ve que la respuesta en bajos es de 19Hz y en agudos de 39kHz. Ver la figura 12.

Figuras 11 y 12. 

Aparentemente estos parámetros con valores superiores a los especificados no molestan y por lo tanto no tendría sentido corregir la ganancia o la respuesta en frecuencia del amplificador. Sin embargo no es así. Hasta ahora no medimos la distorsión de nuestro amplificador, pero seguramente sería menor si utilizáramos una mayor realimentación. En el próximo punto explicaremos qué es la distorsión y cómo se mide pero en este punto ajustaremos la ganancia y la respuesta a frecuencias altas.

Estas cualidades de nuestro amplificador se ajustan modificando la realimentación. En efecto observando el circuito podemos determinar que el resistor R22 determina la ganancia a 1kHz y la red C9 R21 la ganancia en altas frecuencias o lo que es lo mismo el corte de agudos. En la figura 13  se observa las modificaciones realizadas en la red de realimentación para reducir la sensibilidad y achicar la respuesta en alta frecuencias. 

Figura 13

Todos tenemos un claro concepto práctico de lo que es una distorsión, pero el concepto teórico correspondiente y la medición está lejos de ser entendida por la mayoría de los técnicos.

Así que vale una introducción a todo Workbench.

El equivalente matemático de la amplificación es el producto de una constante por la señal de entrada para hallar la señal de salida. Ambas señales tienen la misma form  aunque difieren en su amplitud. Los dispositivos activos suelen modificar levemente las formas de las señales (no son absolutamente lineales). Para evaluar qué tanto se aparta la señal de entrada de la de salida, se creó el concepto de la distorsión armónica total o THD (total harmonic distortion).

Si se utiliza una sola señal pura como entrada (diente de sierra, senoidal, cuadrada, etc.)la salida puede tener un apartamiento que siempre será fijo. Ese apartamiento se puede asimilar a la suma de una señal sinusoidal de frecuencia igual a la fundamental, de la señal de entrada y de una infinita cantidad de sinusoides armónicas de la anterior. El caso de la señal sinusoidal es especial porque ella solo contiene una sinusoide de la frecuencia fundamental.

Cuando la misma se distorsiona se generan armónicas que no existían en la señal original. En el caso del diente de sierra o la señal cuadrada las armónicas ya existentes ven modificada su amplitud, o se generan nuevas armónicas que antes no existían. En la figura  14 se puede observar un sencillo circuito de medición consistente en un generador de funciones conectado a un analizador de espectro. El generador de funciones se predispone a trabajar como generador de onda triangular de 1kHz y 10V de amplitud.

Figura 14

Un analizador de espectro es un instrumento parecido a un osciloscopio con la única diferencia de que el eje X representa la frecuencia en lugar del tiempo. Allí se ven representadas las diferentes señales armónicas que representan a una onda compleja. Por ejemplo nuestra onda triangular se puede disociar en forma de una fundamental e infinitas componentes de las cuales representamos solo las primeras diez armónicas. Es decir que se analiza solo desde 1kHz hasta 10kHz porque más allá se observa que las armónicas ya no tienen una amplitud significativa.

En la señal triangular se observa que las armónicas impares tienen amplitud nula. La fundamental y la armónicas pares tienen una amplitud descendente de modo que la fundamental tiene una amplitud de 8,1V. La segunda armónica tiene una amplitud de 800mV, la cuarta de 324 y así sucesivamente (midiendo cada una de ellas con el cursor sobre la ventana principal).

El analizador de espectro no nos permite analizar la fase de las componentes, pero la misma tiene una fundamental importancia cuando se desea regenerar una señal triangular a partir de la suma de sus componentes. En la parte inferior de la figura 14 se puede  observar el circuito necesario para generar una señal triangular partiendo de generadores sinusoidales que sigan una ley de amplitudes idéntica a la indicada por el generador de espectro.

Observe que la señal de la izquierda en el osciloscopio (triangular verdadera) se parece mucho a la sintetizada de la derecha. La distorsión armónica total de un amplificador se calcula como una relación de potencias. Por un lado se toma la potencia de la fundamental y por otro la potencia sumada de todas las armónicas. La THD relaciona porcentualmente ambas potencias, expresando por lo tanto el resultado como un número puro o como una relación en dB. Observe que dijimos potencias y no tensiones es decir que si se trata de  tensiones se deben sumar cuadráticamente.

En un amplificador se presentan dos distorsiones muy típicas. A potencias cercanas al recorte se produce un redondeo de los picos. El caso más extremo sería la generación de una señal cuadrada.

Observe que en este caso con 5 componentes se obtiene una señal que recién se está pareciendo a la original.

Con esto sacamos en conclusión que para regenerar una señal se deben usar diferentes anchos de banda, dependiendo del contenido de alta frecuencia de la distorsión. Como esta distorsión se produce por el recorte es necesario ubicarse relativamente lejos del mismo para evitar un incremento notable de la distorsión. Por ejemplo es común especificar la distorsión un 10% por debajo del recorte o a potencia mitad. La otra distorsión típica es la que se produce en el paso por cero y que justamente se llama "distorsión de cruce". El Multisim nos permite analizar estar distorsiones y casi nos sugiere o por lo menos nos hace vislumbrar la solución de las mismas.

En la figura 15 podemos observar la forma de señal de salida cuando superamos el nivel de recorte del amplificador, el generador de funciones que nos indica la señal de entrada y el análisis del espectro de la distorsión.

Figura 15

Se puede observar una fundamental de unos 10V y solo una segunda armónica de considerable amplitud ( 2,139 V). La quinta armónica ya tiene amplitud despreciable. La otra distorsión típica "la distorsión por cruce se puede observar en la figura 16. observe que simplemente colocamos las bases en cortocircuito para generar una distorsión elevada.

La distorsión por cruce tiene un elevado contenido de agudos, por esa razón es que nunca se le debe dar a un amplificador una respuesta en agudos que esté por encima de los 20 KHz porque no aporta ninguna energía audible de audio y puede incrementar el nivel de distorsión del amplificador.

En cuanto a los niveles de distorsión que estamos presentando, posiblemente al lector les parezcan elevados. Pero le aseguramos que esos niveles de distorsión son poco apreciables y quedan absolutamente tapados por las distorsiones de los sistemas acústicos.

Por otro lado estamos comparando la distorsión realmente medida de nuestro amplificador con supuestas distorsiones muy publicitadas pero que suelen ser solo una expresión de deseos cuando no se trata de un equipo superprofesional. No crea todo lo que lea en las especificaciones o en las propagandas de los equipos el nivel de distorsión es uno de las características mas difíciles de medir en un amplificador porque se requiere un instrumental muy especializado. Piense que si los fabricantes mienten en la potencia de  audio (que es fácil de medir) cuando llega el momento de hablar de la distorsión ninguno dice la verdad.

Cuando alguien habla de su potencia sexual o de la potencia de su equipo de audio siempre miente.