ETAPAS DEL AMPLIFICADOR DE POTENCIA DE AUDIO DE CLASE AB

El amplificador de potencia de audio que trabaja en clase AB, típico de los diseños modernos, se compone de tres etapas en color rojo en el esquema de la figura, cuyo diseño original, en este ejemplo, se puede encontrar dentro del proyecto P3A en el sitio web Elliott Sound Products (https://sound-au.com/).

La etapa de entrada (input stage, IPS) es la formada por el par diferencial compuesto por los transistores Q1-Q2-Q3. La señal se aplica a la base de Q1 y una fracción de la señal de salida se inyecta en la base de Q2 a través de la red pasiva de retroalimentación (feedback network) formada por las resistencias R4-R5. El transistor Q3 funciona como un absorvedor de corriente (current sink). 

El filtro de entrada (input filter) está constituido por el condensador C1 que forma un filtro paso alto y su función es la de bloquear cualquier tensión de continua que pudiese aparecer en la entrada. El condensador C2 es parte del filtro paso bajo que conduce a masa la posible presencia de frecuencias de radio. La IPS es un amplificador de transconductancia, cuya señal de corriente alimenta la etapa de amplificación de tensión (voltage amplification stage, VAS).

La VAS lo forma el transistor Q4, en configuración de emisor común. El condensador C4 entre su base y colector es la compensación de Miller que juega un papel muy importante en la estabilización del lazo de retroalimentación negativa global, haciendo que la ganancia del lazo de retroalimentación alcance el valor unitario antes que el valor del retardo de fase origine las inestabilidades.  

A la salida de la VAS la señal de tensión es lo suficientemente alta para excitar correctamente la etapa de salida (output stage, OPS). Esta última etapa que tiene sólo amplificación de corriente lo forman los transistores Q5-Q7 en los ciclos positivos de la señal y Q6-Q8 en las excursiones negativas. De manera más específica, a la topología mostrada se la conoce con el nombre de etapa de salida en configuración de par de retroalimentación complementario (CFP output stage). También recibe el nombre de par de Sziklai. 

El transistor Q9 junto con R16 y el potenciómetro VR1 es el circuito multiplicador de Vbe (bias spreader) que polariza la OPS. Modificando el ajuste del potenciómetro VR1 elegimos la corriente de polarización en los transistores de salida Q7-Q8. 

Otro elemento interesante que quiero comentar es el condensador C3, conocido como condensador bootstrap (bootstrap capacitor). La resistencia de colector de la VAS formada por la suma de los valores de R9 y R10, representaría una carga para las señales de audio sin la utilización de este condensador. Dado que las tensiones de señal en los nodos Vx, Vy, Vz, Vout son de valores aproximadamente iguales, y que consideramos el condensador como un corto circuito en las frecuencias de trabajo, Vo = Vz. Es decir, la diferencia de tensión a las frecuencias de audio a través de la resistencia R9 es cero, razón por la que no circulan corrientes de señal y no supone una carga al audio.   

La carga del amplificador tiene el valor nominal de un altavoz de 8 ohmios y se la modeliza con una resistencia. Un altavoz real tiene inductancia que a altas frecuencias alcanza un valor elevado de reactancia. Al fin de mantener constante con la frecuencia la carga que ve el amplificador de potencia, se complementa la salida con una celda de Boucherot o red de Zobel. 

La fuente de potencia es simétrica con los valores de -35V -0 - +35V.  Dejando un margen de 4 V entre raíles, la tensión pico de la señal sería de 31 Vp (voltios pico) lo que se traduce en una potencia de 60 W para una carga de 8 ohmios. Se instalan los condensadores de desacoplo C+ y C-, que trabajan como nodos de baja impedancia para las altas frecuencias. 

La simulación del circuito con los componentes mostrados en el esquema la he realizado con el software LTSPICE. 

El primero que realizo es un análisis AC que muestra una ganancia en lazo cerrado de 26.8 dB. El ancho de banda se extiende desde los 2.4 Hz hasta 1.1 MHz.  

El segundo es un análisis transitorio en el que el amplificador se excita con una señal de entrada a una frecuencia de 1-kHz y y sensitividad de entrada 1.43 Vp. La salida muestra una onda de tensión de 31 Vp, que sobre una carga de 8 ohmios transfiere la potencia de 60 W, que antes mencioné. 

El análisis de Fourier muestra los componentes individuales del espectro de frecuencias. La distorsión armónica total THD = 0.059%.

Los valores de calidad obtenidos en la simulación son similares a los que el autor del proyecto publica en su página web y en conclusión muestran que las respuestas en frecuencia y transitoria son buenas a la vez que la distorsión armónica es baja.