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Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
2. EL AMPLIFICADOR DE AUDIO.
2.1. La elección del amplificador.
El primer amplificador que pensamos podría servirnos fue el TPA1517 de Texas Instruments. Una
descripción detallada del mismo se encuentra en el anexo (una reproducción del datasheet dado por el
fabricante), así como un manual sobre la creación de un módulo de evaluación del mismo.
Las características que da el fabricante por las que en principio nos atrajo este amplificador son las
siguientes:
- Relativamente alta potencia de salida en estéreo de 6 W por canal.
- Ganancia fija de 20 dB por canal, esto es, la señal de tensión a la salida es la misma que a la
entrada amplificada 10 veces. Esto supone, en principio, una amplificación suficientemente alta
para nuestros propósitos iniciales.
- Extraordinarias características, al menos en el datasheet, de ruido y distorsión.
- Posibilidad de modos de funcionamiento normal, mute y standby.
- Posibilidad de encontrarlo en DIP de 20 pines, lo que supone un fácil diseño del PCB y montaje de
la placa.
- Facilidad de montaje y puesta en funcionamiento, incluyendo varios diseños de la placa de prueba
proporcionados por el propio fabricante (incluidos en el anexo del proyecto).
- Facilidad para conseguir muestras gratuitas de forma rápida.
Como se verá por las pruebas realizadas, el amplificador resultó poseer unas características
extraordinarias, tanto en cuanto a la amplificación como en la calidad de sonido a su salida.
2.2. Características más importantes del TPA1517P.
Las características a tener en cuenta a la hora de utilizar el TPA1517P (DIP20) son:
- Rango de tensiones de alimentación: de 9’8V a 18V. En este proyecto lo hemos polarizado casi
siempre a entre 10 y 15 V, comprobándose que su funcionamiento es el correcto. Generalmente, la
polarización fueron 13V (la recomendada por el fabricante).
- Tensión máxima de alimentación: 18 (recomendada), 22V (máximo absoluto).
- Intensidad de alimentación: alrededor de 45-50 mA (típica) con máxima de 80 mA.
- Ganancia: entre 18’5 y 21 dB.
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Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
- Distorsión armónica total (THD): 0’1% (calculada para Psalida=1W, RL=8Ω, 1KHz de frecuencia).
- Relación señal ruido: 84 dB.
- Tensión en DC a la salida: 4-5V.
- Impedancia recomendada de entrada del siguiente bloque (típicamente, un altavoz): 4Ω.
- Impedancia de entrada: 60KΩ.
- Rango de temperaturas de funcionamiento: -40º a 85º.
Así mismo, llamó la atención la repetida insistencia en la hoja del fabricante sobre la posibilidad de
calentamiento excesivo del amplificador, debido a la alta potencia que utiliza en un área muy pequeña, y
que debe ser disipada. Por esta razón, en todas las partes del proyecto tuvimos siempre mucho cuidado
en fabricar PCBs que dejaran un área relativamente grande de cobre para disipar el calor. Además, es de
hacer notar la recomendación de que todos los pines del 11 al 20 (situados a la derecha del chip) y el pin
10 deben estar fuertemente unidos al plano de tierra, ya que por ellos se va a la mayor parte de este
calor. Por consiguiente, el plano de tierra ha de ser lo más extenso posible.
Para comprobar el correcto funcionamiento del amplificador y sus desviaciones respecto de las
características que da el fabricante, se realizó una placa de prueba y se observó repetidas veces su
comportamiento, realizándole 3 tipos de pruebas: pruebas preliminares, pruebas sistemáticas y pruebas
psicoacústicas. Los resultados de todas ellas se detallan más adelante en este mismo punto 2.
2.3. Descripción de los pines del TP1517P y de la placa de prueba.
El amplificador cuenta con 2 pines de entrada de audio (uno por cada canal estéreo), que son los pines 1
y 9. Entre estos pines y la entrada de audio es conveniente conectar sendos condensadores del orden de
1µF, que sirva para desacoplar la componente continua a la entrada. El fabricante recomienda que ambos
condensadores sean cerámicos, por lo siguiente: los condensadores de aluminio electrolítico y de tantalum
suelen tener corrientes de leakage muy elevadas. Para esta aplicación necesitamos que esas corrientes
sean pequeñas, en concreto del orden de menos de 1µF. Es por esto por lo que se recomiendan otro tipo
de condensadores, especialmente los cerámicos.
Igualmente, entre los pines de salida (pines 4 y 6) es conveniente colocar un condensador del orden de
los 100µF. En este caso el fabricante recomienda condensadores de 470µF y de aluminio electrolítico.
El pin 2 es la referencia de tierra de ambas entradas de audio. En nuestra aplicación hemos referido todas
las tensiones a la misma tierra, con lo que este pin está conectado a GND.
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Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
El pin 3 necesita ser conectado a un condensador de 2’2µF con la otra pata a tierra. Al igual que para las
capacidades de entrada, las corrientes de leakage necesitan ser muy pequeñas, por lo que de nuevo se
eligieron capacidades cerámicas.
El pin 7 se conecta a la tensión de alimentación. Como se comentó, esta tensión fue, generalmente, de
entre 10 y 15 voltios.
El pin 8 gobierna el estado de funcionamiento del amplificador, distinguiendo entre 3 estados. Éstos son
detallados en el apartado 2.3.
Todos los pines del 10 al 20 deben ser fuertemente conectados al plano de tierra, para permitir una
correcta disipación del calor. Esta razón imposibilitó el uso de zócalos para el amplificador: si los
hubiéramos usado, pensamos que estos pines no hubieran estado suficientemente unidos a GND, aunque
nunca llegamos a probarlo.
Por último, al entrada de sonido se realizó con un jack de audio para soldar en placa (para poder ser
conectado a una fuente estándar de sonido, como un reproductor de CD) y a la salida se colocaron dos
conectores atornillables, para posibilitar una buena unión al cable del altavoz.
2.4. Modos Standby y Mute.
El amplificador cuenta con 3 modos de funcionamiento: normal, mute y standby. El modo de
funcionamiento viene determinado por la tensión en el pin 8, y puede ser variado durante el normal
funcionamiento del circuito.
- Si la tensión en el pin está entre 9’2 y Vcc (máximo, 22V), el amplificador se encuentra en modo
normal.
- Si la tensión está entre 8’8 y 3’4V, está en modo mute.
- Si la tensión está entre 2 y 0 V, el modo de funcionamiento es standby.
- En cualquier otro caso el modo está indeterminado (no sabemos el modo en que estará).
En modo normal el amplificado funciona de forma normal, esto es, amplificando la entrada en 20 dB. En
modo mute el amplificador sigue su funcionamiento internamente, pero no permite el paso de la señal
amplificada hacia fuera. Por último, en modo standby el amplificador se encuentra apagado, con lo que se
reduce la potencia consumida.
El fabricante recomienda un sencillo circuito de control de esta tensión (ver layout del PCB o anexos:
datasheet del amplificador y del módulo de evaluación) que no es más que un interruptor conectado a Vcc
y a tierra a través de dos resistencias. Este interruptor selecciona entre modo normal (interruptor abierto)
y otro modo (cerrado). Para elegir entre modo standby y mute se coloca un segundo interruptor en
7
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
paralelo con la resistencia de tierra. Si está cerrado la tensión en el pin será 0 y estaremos en modo
standby, y en caso contrario el modo será mute.
Otro método propuesto por el fabricante de control del modo de funcionamiento es a través de un circuito
con dos transistores que se conecta a un control con tensiones TTL. Este método, al ser más complejo y
aparentemente innecesario, fue descartado.
2.5. Esquemático del circuito.
Sobre el esquemático tengo que comentar que, a pesar de lo simple que es, al ser la primera vez que
utilizaba los programas del paquete PCAD, tuve primero que aprender a utilizarlos, con lo que necesité casi
3 semanas para instalarlo, configurarlo correctamente, y aprender a usar e integrar todas sus
herramientas, especialmente el Library Executive, es decir, el que permite asociar diseños de bloques
esquemáticos a bloques implementables en un PCB. Principalmente tuve problemas con la configuración
de los pines, que nunca parecían coincidir y que se convirtieron en un auténtico quebradero de cabeza.
8
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
2.6. El PCB y fotolito.
El siguiente dibujo corresponde al esquema del PCB de la placa amplificadora. Su realización, al igual
que para el esquemático, me llevó más tiempo del normal, al ser la primera vez que realizaba en mi vida
un circuito impreso. Tuve que hacer los diseños del amplificador (una DIP20), el interruptor y el jack.
Fueron tantas las irregularidades que cometí que tuve que realizar hasta 5 versiones distintas, con
distintos esquemas para los componentes, distintos anchos de pista, distinto diseño... al final el resultado
parece que no estuvo del todo mal.
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Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
Cabe destacar la anchura de las líneas. Al ser una placa pensada para audio de altas prestaciones, fue una
condición de diseño desde el primer momento el que la calidad de la señal introducida se perdiera lo
menos posible. A pesar de lo reducido de las dimensiones de la placa, al aumentar el tamaño de las pistas
su funcionamiento como conductores perfectos se mejora, por lo que nos decantamos por realizarlo así.
Igualmente, se ve la presencia de un plano de tierra en el top (en rojo) que, eléctricamente es totalmente
innecesario. La única función de este plano es el de disipar toda la potencia posible a través de los pines
del 10 al 20 del integrado.
Por último, he aquí la placa:
Nótese que la tierra de la cara superior está totalmente estañada, para conseguir una todavía mejor
disipación del calor.
10
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
Y la placa montada dentro de una caja, para poder ser introducida en un ordenador, con un transformador
para conectarlo a la red eléctrica:
De nuevo destaco que tuve que aprender sobre la marcha a manejar correctamente todo el proceso de
generación de una placa impresa: el revelado, el uso de los líquidos, el taladro y, sobre todo el proceso de
soldado (todo lo cual es en sí mismo el verdadero objetivo de hacer un proyecto de fin de carrera).
2.7. Pruebas preliminares.
Una vez realizado el circuito nos dispusimos a probarlo por primera vez. Como se dijo anteriormente,
realizamos 3 tipos de pruebas: preliminares, sistemáticas y psicoacústicas. Las dos primeras fueron de
carácter eléctrico, mientras que las últimas se encaminaron a medir el grado de satisfacción que la salida
de audio producía en el oído humano (única forma válida de comprobar la validez de un sistema de
audio). Las primeras pruebas consistieron en lo siguiente:
11
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
- En primer lugar comprobamos que el circuito realmente podía amplificar una señal senoidal de
entrada a frecuencia de audio. Efectivamente, tras colocar una carga de 4’7Ω (simulando un
altavoz convencional) capaz de soportar una alta potencia y tras un rápido uso del osciloscopio se
demostró una amplificación de alrededor de 10 veces a la salida.
- En segundo lugar comprobamos táctimente que el circuito, con una alimentación de 13V, y tras
unos 10 minutos de funcionamiento, no se calentaba excesivamente.
- En tercer lugar probamos a variar la frecuencia de la señal senoidal de entrada, haciéndola pasar
por los valores extremos del espectro audible. Esto dio como consecuencia un alarmante descenso
de la ganancia al llegar a los 200 Hz (posteriormente comprobamos que esto no supone ningún
problema a la merma de calidad de sonido, sino un efecto producido por la escala de tensiones
elegida en el osciloscopio).
- A continuación colocamos en la salida un pequeño altavoz que se encuentra en el laboratorio de
proyectos de fin de carrera. Al introducir con un discman una señal de audio se comprobó que la
salida era audible, y que al aumentar el volumen del reproductor de CD aumentaba el volumen del
sonido. Una salida típica era de entre 100 y 200 mV, siendo la máxima salida observada de
alrededor de 1 y 2 V. Sin embargo, la calidad de salida era realmente alarmante (posteriormente
comprobamos que el culpable no era el circuito amplificador, sino las escasas prestaciones del
altavoz, ver punto 2.9).
2.8. Pruebas sistemáticas.
2.8.1. Comportamiento en frecuencia.
Es menester hacer una caracterización del comportamiento frecuencial del amplificador, comprobando su
funcionamiento para todo el rango de frecuencias de audio. En esta caracterización es por encima de todo
importante comprobar las frecuencias de corte en que la ganancia comienza a disminuir, así como el grado
en que lo hace. Realizar un sistema de audio con ganancia plana para frecuencias intermedias es
relativamente sencillo. Las diferencia entre un buen amplificador y uno que no lo es suele estar en cómo
amplifica los sonidos muy agudos y muy graves, especialmente para éstos últimos, por dos razones: por
estar ya muy cerca de DC, y por ser sonidos que el oído humano tiende a escuchar peor (véanse las cajas
de resonancia que tienen los instrumentos bajos, tipo contrabajo, violonchelos o trombones: son los
instrumentos más grandes pero más difíciles de escuchar). Sin embargo, tampoco es necesario hacer una
caracterización exhaustiva del mismo. Nos basta con tener una idea más o menos precisa de su frecuencia
de corte y una idea aproximada de cuándo y cuánto deja de amplificar.
12
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
Para realizar estas pruebas colocamos a la salida una resistencia de potencia (tenía que soportar potencias
relativamente altas, del orden de 4 ó 5 W) de valor 4’7Ω, que simulara la carga de un altavoz (típicamente
entre 4 y 8 Ω). Con una fuente de señal senoidal como entrada comprobamos rápidamente que una
tensión pico a pico aproximadamente a la mitad de lo que permite el amplificador sin saturar es del orden
de los 100mV. Por tanto, fijamos la tensión de entrada a 91’2mVpp y la alimentación a 13V. Para realizar
las pruebas, en un principio realicé una serie de medidas equiespaciadas en la frecuencia. Sin embargo
este método no me resultó convincente, decantándome finalmente por el método de aumentar la
frecuencia hasta que se observara un cambio apreciable en la salida. De esta forma obtuve más medidas
en las frecuencias en que la ganancia cambia más rápidamente y se pueden observar mejor algunos
efectos.
Obtuve siempre dos curvas, una para bajas frecuencias y otra para altas. Para todo el rango de
frecuencias intermedias de funcionamiento del amplificador, simplemente comprobé que la ganancia se
mantiene totalmente estable, sin que se pueda observar ningún cambio en la salida.
Para el caso de frecuencias bajas obtuve estos valores:
Frecuencia (Hz) 1’01 10’1 19’3 23’4 27 31’6 39’2 57’8 77,5
Salida (mVpp) 0 122’4 224 266 312 346 412 528 0,632
Ganancia (dB) 2,55573 7,80506 9,29773 10’683 11’5816 13,098 15,2527 16,81444
Frecuencia (Hz) 138 192 256 1130
Salida (mVpp) 0,748 0,848 0,864 0,864
Ganancia (dB) 18,2781 18,7746 19,368 19,53037
Valores que conducen a la gráfica:
13
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
Comportamiento a baja frecuencia
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 500 1000 1500
Frecuencia (Hz)
Ganancia(dB)
La frecuencia de corte de 3dB se sitúa en los 77’5Hz. A partir de aquí y hacia atrás la atenuación es
evidente (se asemeja a una exponencial decreciente). Esto implica que muchas de las frecuencias aún
audibles no se van a amplificar bien, lo cual nos hizo dudar de las prestaciones del amplificador En teoría,
el oído humano puede oír hasta los 20 ó 30 Hz. Suponiendo un oído “medio” que llegue hasta los 40 Hz,
habrá mucho que no se escuchará (más adelante comprobamos que no era así, véase punto 2.9.).
A partir de 1130Hz la ganancia permanece perfectamente plana con valor de 19’53037 dB. No pude
realizar ninguna medida que detectase una sola irregularidad apreciable, hasta llegar a unos 44’2 KHz en
que vuelve a decrecer:
Frecuencia (KHz) 44’2 68’5 84 110 169 213 250 329 333’3
Salida (Vpp) 0,824 0,768 0,716 0,652 0,496 0,416 0,354 0,304 0,212
Ganancia (dB) 19,11864 18,5073 17,8983 17,08505 14,7097 13,18196 11,78016 10,45757 7,326820
Frecuencia (KHz) 500 537’6 833’3 1000 1160 1520 2000
Salida (Vpp) 0,176 0,158 0,114 0,09 0,0752 0,0576 0,0432
Ganancia (dB) 5,710356 4,773244 1,938200 -0,115046 -1,675539 -3,991447 -6,49022
14
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
Comportamiento a alta frecuencia
-10
-5
0
5
10
15
20
25
0 500 1000 1500 2000 2500
Frecuencia (KHz)
Ganancia(dB)
Para altas frecuencias el comportamiento es bastante distinto, asemejándose mucho más a una recta. La
caída de 3dB se produce en los alrededores de 140KHz. Según la bibliografía consultada, un oído medio
llega a escuchar los 20 KHz, muy alejados de las frecuencias aquí representadas. Es decir, amplifica
perfectamente las frecuencias altas.
Es de resaltar la curiosa caída que se produce entre 110 y 169 KHz, alrededor de la frecuencia de 3dB. Es
una caída tan brusca que no pude localizar exactamente los extremos de la misma: al variar ligeramente la
rueda del generador de señales, de pronto saltaba la ganancia de forma brusca, y al repetir la operación al
revés ocurría similarmente. Es por ello por lo que la frecuencia de 3dB está calculada de forma
aproximada. Comparando esta curva con las siguientes obtenidas con otros circuitos pero con otros
amplificadores del mismo, este efecto no parece observarse, por lo que queda como una curiosidad única
del amplificador utilizado para esta placa o quizá como un defecto de la observación o del instrumental,
aunque esto parece un poco más difícil, ya que la medida se realizó repetidas veces y siempre se obtuvo
el mismo resultado.
2.8.2. Comportamiento frecuencial ante grandes entradas.
Pensamos que sería interesante comparar el comportamiento del amplificador ante una entrada
aproximándose al máximo de tensión permitido, por lo que repetimos la operación para una señal senoidal
15
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
de entrada de 0’6 V de pico a pico e iguales condiciones que en 2.8.1. Al ser un caso menos interesante se
realizó un menor número de medidas.
Frecuencia (Hz) 20,3 34,2 43’1 53,8 69,4 83,3 114 166 225 621
Salida (Vpp) 1,5 2,36 2,8 3,24 3,76 4,12 4,6 4,96 5,32 5,60
Ganancia (dB) 7,9588 11,89521 13,3801 14,6478 15,9407 16,7349 17,6921 18,3466 18,9552 19,40073
Comportamiento a baja frecuencia
-30
-20
-10
0
10
20
30
0 500 1000 1500
Frecuencia (Hz)
Ganancia(dB)
Se puede ver que la amplificación es ahora ligeramente inferior (19’4 dB frente a los 19’5 dB anteriores),
explicándose esto por la pérdida de precisión al efectuar la medida ante una escala mayor de tensiones en
el osciloscopio. En este caso la frecuencia de corte de 3dB es 83’3 Hz, frente a los 77’5 Hz anteriores, que
no suponen una significativa variación. Igual, el comportamiento en general en ambos casos es bastante
similar.
La ganancia, como antes, permanece constante en todo el rango de frecuencias hasta llegar a las altas,
siendo imposible detectar cambios significativos.
Para altas frecuencias:
16
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
Frecuencia (kHz) 15,5 31,7 53,2 73 101 133 166,66 200 256 285,7
Salida (Vpp) 5,6 5,44 5,12 4,76 4,2 3,68 3,04 2,66 2,36 2,02
Amplificación
(dB)
19,4007 19,14895 18,62237 17,98911 16,90196 15,75393 14,09444 12,9346 11,89521 10,544
Frecuencia (kHz) 330,3 425,5 588,2 714,3
Salida (Vpp) 1,68 1’32 0,952 0’76
Ganancia (dB) 8,94316 6,84845362 4,009713 2,053246
Comportamiento en frecuencia (Alta)
para Vin=0'6V
0
5
10
15
20
25
0 200 400 600 800
Frecuencia (KHz)
Ganancia(dB)
El comportamiento es, de nuevo, más lineal (al menos en la escala representada). La frecuencia de corte
se sitúa alrededor de los 101 KHz, similar a los 140 KHz anteriores. En todo caso, aunque con diferencias,
el comportamiento es bastante similar, por lo que no parece afectar significativamente el tamaño de la
entrada a la respuesta del amplificador.
Sin embargo, una observación más detallada de la onda de salida parece indicar que el sistema comienza
a saturar, ya que empieza a aparecer una onda senoidal ligeramente distorsionada en su parte central.
Esta saturación se confirma la llegar a los 166’6 KHz, donde se ve claramente que la salida no es
perfectamente senoidal. Este efecto se repite hasta los alrededores de 256 KHz, donde la salida vuelve a
ser una senoide perfecta. Por último, al llegar a los alrededores de los MHz la saturación se hace evidente
17
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
en la parte inferior de la senoide (se vuelve más plana). Todo esto no son más que observaciones
anecdóticas, ya que estamos bastante lejos de las frecuencias audibles.
Sí es importante señalar que, ante esta entrada, se percibe un calentamiento mayor en el amplificador, y
la fuente de alimentación empieza a tener pequeñas oscilaciones, señal de que está llegando a su máximo
de intensidad, cosa muy lógica por otra parte.
2.8.3. Saturación del amplificador.
A continuación se muestra una tabla con las tensiones de entrada a las cuales comienza la saturación del
amplificador:
Frecuencia
(Hz)
207 730 1’01 k 10’2 k 19’2 k 53’3 k
Amplitud de
saturación (V) 0’612 0’781 0’88 1’096 1’136 1’136
Puede verse que se hace necesaria una tensión mayor para saturar cuanto mayor es la frecuencia, y en el
rango de frecuencias intermedias es casi constante alrededor de 1’136 Vpp. A la última frecuencia medida,
el efecto dominante ya no es la saturación sino la pérdida de ganancia.
2.8.4. Otros efectos observados.
Entre los efectos observados caben destacar:
- El calentamiento significativamente superior al introducir señales muy altas en el amplificador
(alrededor de 1V), ante una alimentación de 13V.
- La oscilación que se produce en la fuente de alimentación cuando las entradas son muy altas:
fijando una Vcc=13 V y con entradas senoidales de alrededor de 1V, la fuente comienza a oscilar
entre los 10 y los 13 voltios. Como ya se dijo, esto es debido posiblemente a que el circuito está
pidiendo una intensidad excesivamente alta, que alcanza el máximo de la fuente.
18
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
- El calentamiento muy alto ante tensiones de alimentación más altas (cercanas a los 16V). Todos
estos efectos de calentamiento han de ser considerados muy detenidamente si pretendemos hacer
funcionar el amplificador en situaciones extremas.
- El crosstalk que se produce entre los dos canales de salida: al introducir una senoide por una
entrada y dejar la otra al aire, aparece por segundo canal una salida que se asemeja a una senoide
ruidosa de igual frecuencia que la entrada excitada. Ante una entrada de 91’2 Vpp la salida del otro
canal es de 51’2 mVpp, constante en todo el rango de frecuencias intermedias. Esto supone una
atenuación de 65dB.
- Como se señaló antes, la curiosa saturación que aparece entre los 166’6 KHz y los 256 KHz, que,
aún siendo irrelevante por estar fuera de las frecuencias audibles, no deja de resultar interesante.
2.9. Pruebas psicoacústicas.
Para sistemas de audio, cuya salida es un sonido que va a ser escuchado por el oído humano, las pruebas
más importantes que miden sus prestaciones no son otras que las psicoacústicas. Esto es, sólo una
persona escuchando atentamente la salida de un altavoz puede decir si lo que está escuchando es o no de
su agrado. Con esto, las pruebas piscoacústicas miden el grado de pureza (es decir, de ausencia de ruido,
claridad y correcta amplificación de todos los instrumentos y todas las frecuencias) del sonido reproducido.
A pesar de su importancia, las pruebas sistemáticas, en el caso de sistemas de audio, no deben ser
consideradas salvo para la observación de efectos que el oído no puede captar, para el estudio de relativa
importancia de la ganancia frente a la frecuencia, para conocer distintos parámetros eléctricos (tales como
la saturación) o para saber a qué frecuencias ocurren y en qué consisten los efectos de distorsión que el
oído está escuchando.
Con esto, las mejores pruebas psicoacústicas consisten en introducir distintas señal de audio, de distintos
estilos musicales, en estéreo y con la mayor calidad posible, y observar atentamente lo que ocurre. Para
ello usamos un reproductor de CD portátil, que ofrece una calidad excelente, y distintos CDs de música de
varios estilos y con distintos instrumentos que operan a distintas frecuencias. Los resultados obtenidos,
que no se pueden reproducir salvo escribiendo las impresiones personales de los que las escuchamos, son
las siguientes:
(1) Sobre la calidad de sonido obtenida:
19
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
- En primer lugar introdujimos a la salida el pequeño altavoz de un único canal1
que está en el
laboratorio de proyectos de fin de carrera del departamento. La salida que escuchamos fue
francamente decepcionante. No vale la pena valorar la mediocre calidad de sonido, ya que después
se demostró que con otros altavoces esta calidad aumentaba significativamente.
- En segundo lugar usamos unos altavoces estándar de ordenador, de dos canales1
, colocando
cuidadosamente su jack de entrada de audio conectado a dos cables introducidos a su vez en la
salida de la placa. El resultado fue bastante mejor, aunque la calidad tampoco nos gustó.
- Por último colocamos unos altavoces excelentes de tres canales1
como salida. El resultado, en
contra de las dos anteriores decepciones, fue impresionante: la calidad de sonido producida fue
extraordinaria. Estuvimos alrededor de dos horas observando distintas canciones de distintos
estilos, y en todas ellas la impresión fue inmejorable: sonido limpio, perfecto, con un volumen
altísimo, sin distorsión (salvo, lógicamente, las distorsiones introducidas por los músicos de ciertas
canciones) y, a pesar de lo que nos temíamos viendo los diagramas de respuesta en frecuencia, la
amplificación de frecuencias bajas parecía perfecta. Esto es, observamos especialmente lo que
ocurría con los sonidos producidos por instrumentos bajos (contrabajos, chelos, etc.) y sonaban
mejor que en la mayoría de sistemas de audio que conocemos. Así mismo, comprobamos los
efectos de saturación al subir en exceso el volumen de la fuente de sonido. Sin embargo, esta
saturación no se aprecia salvo cuando el volumen es realmente alto, como se indica a
continuación.
1
Aclaración: Un altavoz de varias vías no es más que una caja formada por varios altavoces (uno por cada
vía) de forma que cada uno está diseñado para reproducir un rango distinto de frecuencias. Así, un altavoz
de 3 vías tendría una para frecuencias altas, otra para medias y otra para bajas, siendo el tamaño de los
altavoces pequeño, medio y grande, respectivamente. A la entrada de cada altavoz hay un pequeño filtro
que elimina las frecuencias indeseadas para esa vía. De esta forma se consigue una reproducción mucho
mejor.
(2) Sobre el volumen a la salida:
20
Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores.
21
En cuanto al volumen de salida, comprobamos claramente que podía subir muchísimo sin perder
calidad, es decir, sin llegar a saturarse hasta alcanzar un nivel realmente alto (al menos a mí
personalmente me parecía un volumen excesivo, al menos para las dimensiones del recinto en que
estábamos) . Todo el laboratorio de proyectos de fin de carreras parecía una sala de fiestas, tanto que,
estando la puerta cerrada, incluso algún profesor tuvo que llamarnos la atención, estando en su
despacho al otro extremo del pasillo, y en viernes (que casi nadie trabaja y por tanto molestamos a
menos gente).
Conclusión: el amplificador produce un sonido extraordinario en todas las frecuencias apreciables por
nuestros oídos, y el volumen es a su vez muy alto, lo que lo hace, al menos tras las pruebas realizadas,
ideal para aplicaciones de altas prestaciones o semiprofesionales. El limitante principal es el altavoz, dato a
tener en cuenta para futuros proyectos.

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  • 1. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. 2. EL AMPLIFICADOR DE AUDIO. 2.1. La elección del amplificador. El primer amplificador que pensamos podría servirnos fue el TPA1517 de Texas Instruments. Una descripción detallada del mismo se encuentra en el anexo (una reproducción del datasheet dado por el fabricante), así como un manual sobre la creación de un módulo de evaluación del mismo. Las características que da el fabricante por las que en principio nos atrajo este amplificador son las siguientes: - Relativamente alta potencia de salida en estéreo de 6 W por canal. - Ganancia fija de 20 dB por canal, esto es, la señal de tensión a la salida es la misma que a la entrada amplificada 10 veces. Esto supone, en principio, una amplificación suficientemente alta para nuestros propósitos iniciales. - Extraordinarias características, al menos en el datasheet, de ruido y distorsión. - Posibilidad de modos de funcionamiento normal, mute y standby. - Posibilidad de encontrarlo en DIP de 20 pines, lo que supone un fácil diseño del PCB y montaje de la placa. - Facilidad de montaje y puesta en funcionamiento, incluyendo varios diseños de la placa de prueba proporcionados por el propio fabricante (incluidos en el anexo del proyecto). - Facilidad para conseguir muestras gratuitas de forma rápida. Como se verá por las pruebas realizadas, el amplificador resultó poseer unas características extraordinarias, tanto en cuanto a la amplificación como en la calidad de sonido a su salida. 2.2. Características más importantes del TPA1517P. Las características a tener en cuenta a la hora de utilizar el TPA1517P (DIP20) son: - Rango de tensiones de alimentación: de 9’8V a 18V. En este proyecto lo hemos polarizado casi siempre a entre 10 y 15 V, comprobándose que su funcionamiento es el correcto. Generalmente, la polarización fueron 13V (la recomendada por el fabricante). - Tensión máxima de alimentación: 18 (recomendada), 22V (máximo absoluto). - Intensidad de alimentación: alrededor de 45-50 mA (típica) con máxima de 80 mA. - Ganancia: entre 18’5 y 21 dB. 5
  • 2. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. - Distorsión armónica total (THD): 0’1% (calculada para Psalida=1W, RL=8Ω, 1KHz de frecuencia). - Relación señal ruido: 84 dB. - Tensión en DC a la salida: 4-5V. - Impedancia recomendada de entrada del siguiente bloque (típicamente, un altavoz): 4Ω. - Impedancia de entrada: 60KΩ. - Rango de temperaturas de funcionamiento: -40º a 85º. Así mismo, llamó la atención la repetida insistencia en la hoja del fabricante sobre la posibilidad de calentamiento excesivo del amplificador, debido a la alta potencia que utiliza en un área muy pequeña, y que debe ser disipada. Por esta razón, en todas las partes del proyecto tuvimos siempre mucho cuidado en fabricar PCBs que dejaran un área relativamente grande de cobre para disipar el calor. Además, es de hacer notar la recomendación de que todos los pines del 11 al 20 (situados a la derecha del chip) y el pin 10 deben estar fuertemente unidos al plano de tierra, ya que por ellos se va a la mayor parte de este calor. Por consiguiente, el plano de tierra ha de ser lo más extenso posible. Para comprobar el correcto funcionamiento del amplificador y sus desviaciones respecto de las características que da el fabricante, se realizó una placa de prueba y se observó repetidas veces su comportamiento, realizándole 3 tipos de pruebas: pruebas preliminares, pruebas sistemáticas y pruebas psicoacústicas. Los resultados de todas ellas se detallan más adelante en este mismo punto 2. 2.3. Descripción de los pines del TP1517P y de la placa de prueba. El amplificador cuenta con 2 pines de entrada de audio (uno por cada canal estéreo), que son los pines 1 y 9. Entre estos pines y la entrada de audio es conveniente conectar sendos condensadores del orden de 1µF, que sirva para desacoplar la componente continua a la entrada. El fabricante recomienda que ambos condensadores sean cerámicos, por lo siguiente: los condensadores de aluminio electrolítico y de tantalum suelen tener corrientes de leakage muy elevadas. Para esta aplicación necesitamos que esas corrientes sean pequeñas, en concreto del orden de menos de 1µF. Es por esto por lo que se recomiendan otro tipo de condensadores, especialmente los cerámicos. Igualmente, entre los pines de salida (pines 4 y 6) es conveniente colocar un condensador del orden de los 100µF. En este caso el fabricante recomienda condensadores de 470µF y de aluminio electrolítico. El pin 2 es la referencia de tierra de ambas entradas de audio. En nuestra aplicación hemos referido todas las tensiones a la misma tierra, con lo que este pin está conectado a GND. 6
  • 3. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. El pin 3 necesita ser conectado a un condensador de 2’2µF con la otra pata a tierra. Al igual que para las capacidades de entrada, las corrientes de leakage necesitan ser muy pequeñas, por lo que de nuevo se eligieron capacidades cerámicas. El pin 7 se conecta a la tensión de alimentación. Como se comentó, esta tensión fue, generalmente, de entre 10 y 15 voltios. El pin 8 gobierna el estado de funcionamiento del amplificador, distinguiendo entre 3 estados. Éstos son detallados en el apartado 2.3. Todos los pines del 10 al 20 deben ser fuertemente conectados al plano de tierra, para permitir una correcta disipación del calor. Esta razón imposibilitó el uso de zócalos para el amplificador: si los hubiéramos usado, pensamos que estos pines no hubieran estado suficientemente unidos a GND, aunque nunca llegamos a probarlo. Por último, al entrada de sonido se realizó con un jack de audio para soldar en placa (para poder ser conectado a una fuente estándar de sonido, como un reproductor de CD) y a la salida se colocaron dos conectores atornillables, para posibilitar una buena unión al cable del altavoz. 2.4. Modos Standby y Mute. El amplificador cuenta con 3 modos de funcionamiento: normal, mute y standby. El modo de funcionamiento viene determinado por la tensión en el pin 8, y puede ser variado durante el normal funcionamiento del circuito. - Si la tensión en el pin está entre 9’2 y Vcc (máximo, 22V), el amplificador se encuentra en modo normal. - Si la tensión está entre 8’8 y 3’4V, está en modo mute. - Si la tensión está entre 2 y 0 V, el modo de funcionamiento es standby. - En cualquier otro caso el modo está indeterminado (no sabemos el modo en que estará). En modo normal el amplificado funciona de forma normal, esto es, amplificando la entrada en 20 dB. En modo mute el amplificador sigue su funcionamiento internamente, pero no permite el paso de la señal amplificada hacia fuera. Por último, en modo standby el amplificador se encuentra apagado, con lo que se reduce la potencia consumida. El fabricante recomienda un sencillo circuito de control de esta tensión (ver layout del PCB o anexos: datasheet del amplificador y del módulo de evaluación) que no es más que un interruptor conectado a Vcc y a tierra a través de dos resistencias. Este interruptor selecciona entre modo normal (interruptor abierto) y otro modo (cerrado). Para elegir entre modo standby y mute se coloca un segundo interruptor en 7
  • 4. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. paralelo con la resistencia de tierra. Si está cerrado la tensión en el pin será 0 y estaremos en modo standby, y en caso contrario el modo será mute. Otro método propuesto por el fabricante de control del modo de funcionamiento es a través de un circuito con dos transistores que se conecta a un control con tensiones TTL. Este método, al ser más complejo y aparentemente innecesario, fue descartado. 2.5. Esquemático del circuito. Sobre el esquemático tengo que comentar que, a pesar de lo simple que es, al ser la primera vez que utilizaba los programas del paquete PCAD, tuve primero que aprender a utilizarlos, con lo que necesité casi 3 semanas para instalarlo, configurarlo correctamente, y aprender a usar e integrar todas sus herramientas, especialmente el Library Executive, es decir, el que permite asociar diseños de bloques esquemáticos a bloques implementables en un PCB. Principalmente tuve problemas con la configuración de los pines, que nunca parecían coincidir y que se convirtieron en un auténtico quebradero de cabeza. 8
  • 5. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. 2.6. El PCB y fotolito. El siguiente dibujo corresponde al esquema del PCB de la placa amplificadora. Su realización, al igual que para el esquemático, me llevó más tiempo del normal, al ser la primera vez que realizaba en mi vida un circuito impreso. Tuve que hacer los diseños del amplificador (una DIP20), el interruptor y el jack. Fueron tantas las irregularidades que cometí que tuve que realizar hasta 5 versiones distintas, con distintos esquemas para los componentes, distintos anchos de pista, distinto diseño... al final el resultado parece que no estuvo del todo mal. 9
  • 6. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. Cabe destacar la anchura de las líneas. Al ser una placa pensada para audio de altas prestaciones, fue una condición de diseño desde el primer momento el que la calidad de la señal introducida se perdiera lo menos posible. A pesar de lo reducido de las dimensiones de la placa, al aumentar el tamaño de las pistas su funcionamiento como conductores perfectos se mejora, por lo que nos decantamos por realizarlo así. Igualmente, se ve la presencia de un plano de tierra en el top (en rojo) que, eléctricamente es totalmente innecesario. La única función de este plano es el de disipar toda la potencia posible a través de los pines del 10 al 20 del integrado. Por último, he aquí la placa: Nótese que la tierra de la cara superior está totalmente estañada, para conseguir una todavía mejor disipación del calor. 10
  • 7. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. Y la placa montada dentro de una caja, para poder ser introducida en un ordenador, con un transformador para conectarlo a la red eléctrica: De nuevo destaco que tuve que aprender sobre la marcha a manejar correctamente todo el proceso de generación de una placa impresa: el revelado, el uso de los líquidos, el taladro y, sobre todo el proceso de soldado (todo lo cual es en sí mismo el verdadero objetivo de hacer un proyecto de fin de carrera). 2.7. Pruebas preliminares. Una vez realizado el circuito nos dispusimos a probarlo por primera vez. Como se dijo anteriormente, realizamos 3 tipos de pruebas: preliminares, sistemáticas y psicoacústicas. Las dos primeras fueron de carácter eléctrico, mientras que las últimas se encaminaron a medir el grado de satisfacción que la salida de audio producía en el oído humano (única forma válida de comprobar la validez de un sistema de audio). Las primeras pruebas consistieron en lo siguiente: 11
  • 8. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. - En primer lugar comprobamos que el circuito realmente podía amplificar una señal senoidal de entrada a frecuencia de audio. Efectivamente, tras colocar una carga de 4’7Ω (simulando un altavoz convencional) capaz de soportar una alta potencia y tras un rápido uso del osciloscopio se demostró una amplificación de alrededor de 10 veces a la salida. - En segundo lugar comprobamos táctimente que el circuito, con una alimentación de 13V, y tras unos 10 minutos de funcionamiento, no se calentaba excesivamente. - En tercer lugar probamos a variar la frecuencia de la señal senoidal de entrada, haciéndola pasar por los valores extremos del espectro audible. Esto dio como consecuencia un alarmante descenso de la ganancia al llegar a los 200 Hz (posteriormente comprobamos que esto no supone ningún problema a la merma de calidad de sonido, sino un efecto producido por la escala de tensiones elegida en el osciloscopio). - A continuación colocamos en la salida un pequeño altavoz que se encuentra en el laboratorio de proyectos de fin de carrera. Al introducir con un discman una señal de audio se comprobó que la salida era audible, y que al aumentar el volumen del reproductor de CD aumentaba el volumen del sonido. Una salida típica era de entre 100 y 200 mV, siendo la máxima salida observada de alrededor de 1 y 2 V. Sin embargo, la calidad de salida era realmente alarmante (posteriormente comprobamos que el culpable no era el circuito amplificador, sino las escasas prestaciones del altavoz, ver punto 2.9). 2.8. Pruebas sistemáticas. 2.8.1. Comportamiento en frecuencia. Es menester hacer una caracterización del comportamiento frecuencial del amplificador, comprobando su funcionamiento para todo el rango de frecuencias de audio. En esta caracterización es por encima de todo importante comprobar las frecuencias de corte en que la ganancia comienza a disminuir, así como el grado en que lo hace. Realizar un sistema de audio con ganancia plana para frecuencias intermedias es relativamente sencillo. Las diferencia entre un buen amplificador y uno que no lo es suele estar en cómo amplifica los sonidos muy agudos y muy graves, especialmente para éstos últimos, por dos razones: por estar ya muy cerca de DC, y por ser sonidos que el oído humano tiende a escuchar peor (véanse las cajas de resonancia que tienen los instrumentos bajos, tipo contrabajo, violonchelos o trombones: son los instrumentos más grandes pero más difíciles de escuchar). Sin embargo, tampoco es necesario hacer una caracterización exhaustiva del mismo. Nos basta con tener una idea más o menos precisa de su frecuencia de corte y una idea aproximada de cuándo y cuánto deja de amplificar. 12
  • 9. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. Para realizar estas pruebas colocamos a la salida una resistencia de potencia (tenía que soportar potencias relativamente altas, del orden de 4 ó 5 W) de valor 4’7Ω, que simulara la carga de un altavoz (típicamente entre 4 y 8 Ω). Con una fuente de señal senoidal como entrada comprobamos rápidamente que una tensión pico a pico aproximadamente a la mitad de lo que permite el amplificador sin saturar es del orden de los 100mV. Por tanto, fijamos la tensión de entrada a 91’2mVpp y la alimentación a 13V. Para realizar las pruebas, en un principio realicé una serie de medidas equiespaciadas en la frecuencia. Sin embargo este método no me resultó convincente, decantándome finalmente por el método de aumentar la frecuencia hasta que se observara un cambio apreciable en la salida. De esta forma obtuve más medidas en las frecuencias en que la ganancia cambia más rápidamente y se pueden observar mejor algunos efectos. Obtuve siempre dos curvas, una para bajas frecuencias y otra para altas. Para todo el rango de frecuencias intermedias de funcionamiento del amplificador, simplemente comprobé que la ganancia se mantiene totalmente estable, sin que se pueda observar ningún cambio en la salida. Para el caso de frecuencias bajas obtuve estos valores: Frecuencia (Hz) 1’01 10’1 19’3 23’4 27 31’6 39’2 57’8 77,5 Salida (mVpp) 0 122’4 224 266 312 346 412 528 0,632 Ganancia (dB) 2,55573 7,80506 9,29773 10’683 11’5816 13,098 15,2527 16,81444 Frecuencia (Hz) 138 192 256 1130 Salida (mVpp) 0,748 0,848 0,864 0,864 Ganancia (dB) 18,2781 18,7746 19,368 19,53037 Valores que conducen a la gráfica: 13
  • 10. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. Comportamiento a baja frecuencia -30 -20 -10 0 10 20 30 0 500 1000 1500 Frecuencia (Hz) Ganancia(dB) La frecuencia de corte de 3dB se sitúa en los 77’5Hz. A partir de aquí y hacia atrás la atenuación es evidente (se asemeja a una exponencial decreciente). Esto implica que muchas de las frecuencias aún audibles no se van a amplificar bien, lo cual nos hizo dudar de las prestaciones del amplificador En teoría, el oído humano puede oír hasta los 20 ó 30 Hz. Suponiendo un oído “medio” que llegue hasta los 40 Hz, habrá mucho que no se escuchará (más adelante comprobamos que no era así, véase punto 2.9.). A partir de 1130Hz la ganancia permanece perfectamente plana con valor de 19’53037 dB. No pude realizar ninguna medida que detectase una sola irregularidad apreciable, hasta llegar a unos 44’2 KHz en que vuelve a decrecer: Frecuencia (KHz) 44’2 68’5 84 110 169 213 250 329 333’3 Salida (Vpp) 0,824 0,768 0,716 0,652 0,496 0,416 0,354 0,304 0,212 Ganancia (dB) 19,11864 18,5073 17,8983 17,08505 14,7097 13,18196 11,78016 10,45757 7,326820 Frecuencia (KHz) 500 537’6 833’3 1000 1160 1520 2000 Salida (Vpp) 0,176 0,158 0,114 0,09 0,0752 0,0576 0,0432 Ganancia (dB) 5,710356 4,773244 1,938200 -0,115046 -1,675539 -3,991447 -6,49022 14
  • 11. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. Comportamiento a alta frecuencia -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 500 1000 1500 2000 2500 Frecuencia (KHz) Ganancia(dB) Para altas frecuencias el comportamiento es bastante distinto, asemejándose mucho más a una recta. La caída de 3dB se produce en los alrededores de 140KHz. Según la bibliografía consultada, un oído medio llega a escuchar los 20 KHz, muy alejados de las frecuencias aquí representadas. Es decir, amplifica perfectamente las frecuencias altas. Es de resaltar la curiosa caída que se produce entre 110 y 169 KHz, alrededor de la frecuencia de 3dB. Es una caída tan brusca que no pude localizar exactamente los extremos de la misma: al variar ligeramente la rueda del generador de señales, de pronto saltaba la ganancia de forma brusca, y al repetir la operación al revés ocurría similarmente. Es por ello por lo que la frecuencia de 3dB está calculada de forma aproximada. Comparando esta curva con las siguientes obtenidas con otros circuitos pero con otros amplificadores del mismo, este efecto no parece observarse, por lo que queda como una curiosidad única del amplificador utilizado para esta placa o quizá como un defecto de la observación o del instrumental, aunque esto parece un poco más difícil, ya que la medida se realizó repetidas veces y siempre se obtuvo el mismo resultado. 2.8.2. Comportamiento frecuencial ante grandes entradas. Pensamos que sería interesante comparar el comportamiento del amplificador ante una entrada aproximándose al máximo de tensión permitido, por lo que repetimos la operación para una señal senoidal 15
  • 12. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. de entrada de 0’6 V de pico a pico e iguales condiciones que en 2.8.1. Al ser un caso menos interesante se realizó un menor número de medidas. Frecuencia (Hz) 20,3 34,2 43’1 53,8 69,4 83,3 114 166 225 621 Salida (Vpp) 1,5 2,36 2,8 3,24 3,76 4,12 4,6 4,96 5,32 5,60 Ganancia (dB) 7,9588 11,89521 13,3801 14,6478 15,9407 16,7349 17,6921 18,3466 18,9552 19,40073 Comportamiento a baja frecuencia -30 -20 -10 0 10 20 30 0 500 1000 1500 Frecuencia (Hz) Ganancia(dB) Se puede ver que la amplificación es ahora ligeramente inferior (19’4 dB frente a los 19’5 dB anteriores), explicándose esto por la pérdida de precisión al efectuar la medida ante una escala mayor de tensiones en el osciloscopio. En este caso la frecuencia de corte de 3dB es 83’3 Hz, frente a los 77’5 Hz anteriores, que no suponen una significativa variación. Igual, el comportamiento en general en ambos casos es bastante similar. La ganancia, como antes, permanece constante en todo el rango de frecuencias hasta llegar a las altas, siendo imposible detectar cambios significativos. Para altas frecuencias: 16
  • 13. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. Frecuencia (kHz) 15,5 31,7 53,2 73 101 133 166,66 200 256 285,7 Salida (Vpp) 5,6 5,44 5,12 4,76 4,2 3,68 3,04 2,66 2,36 2,02 Amplificación (dB) 19,4007 19,14895 18,62237 17,98911 16,90196 15,75393 14,09444 12,9346 11,89521 10,544 Frecuencia (kHz) 330,3 425,5 588,2 714,3 Salida (Vpp) 1,68 1’32 0,952 0’76 Ganancia (dB) 8,94316 6,84845362 4,009713 2,053246 Comportamiento en frecuencia (Alta) para Vin=0'6V 0 5 10 15 20 25 0 200 400 600 800 Frecuencia (KHz) Ganancia(dB) El comportamiento es, de nuevo, más lineal (al menos en la escala representada). La frecuencia de corte se sitúa alrededor de los 101 KHz, similar a los 140 KHz anteriores. En todo caso, aunque con diferencias, el comportamiento es bastante similar, por lo que no parece afectar significativamente el tamaño de la entrada a la respuesta del amplificador. Sin embargo, una observación más detallada de la onda de salida parece indicar que el sistema comienza a saturar, ya que empieza a aparecer una onda senoidal ligeramente distorsionada en su parte central. Esta saturación se confirma la llegar a los 166’6 KHz, donde se ve claramente que la salida no es perfectamente senoidal. Este efecto se repite hasta los alrededores de 256 KHz, donde la salida vuelve a ser una senoide perfecta. Por último, al llegar a los alrededores de los MHz la saturación se hace evidente 17
  • 14. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. en la parte inferior de la senoide (se vuelve más plana). Todo esto no son más que observaciones anecdóticas, ya que estamos bastante lejos de las frecuencias audibles. Sí es importante señalar que, ante esta entrada, se percibe un calentamiento mayor en el amplificador, y la fuente de alimentación empieza a tener pequeñas oscilaciones, señal de que está llegando a su máximo de intensidad, cosa muy lógica por otra parte. 2.8.3. Saturación del amplificador. A continuación se muestra una tabla con las tensiones de entrada a las cuales comienza la saturación del amplificador: Frecuencia (Hz) 207 730 1’01 k 10’2 k 19’2 k 53’3 k Amplitud de saturación (V) 0’612 0’781 0’88 1’096 1’136 1’136 Puede verse que se hace necesaria una tensión mayor para saturar cuanto mayor es la frecuencia, y en el rango de frecuencias intermedias es casi constante alrededor de 1’136 Vpp. A la última frecuencia medida, el efecto dominante ya no es la saturación sino la pérdida de ganancia. 2.8.4. Otros efectos observados. Entre los efectos observados caben destacar: - El calentamiento significativamente superior al introducir señales muy altas en el amplificador (alrededor de 1V), ante una alimentación de 13V. - La oscilación que se produce en la fuente de alimentación cuando las entradas son muy altas: fijando una Vcc=13 V y con entradas senoidales de alrededor de 1V, la fuente comienza a oscilar entre los 10 y los 13 voltios. Como ya se dijo, esto es debido posiblemente a que el circuito está pidiendo una intensidad excesivamente alta, que alcanza el máximo de la fuente. 18
  • 15. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. - El calentamiento muy alto ante tensiones de alimentación más altas (cercanas a los 16V). Todos estos efectos de calentamiento han de ser considerados muy detenidamente si pretendemos hacer funcionar el amplificador en situaciones extremas. - El crosstalk que se produce entre los dos canales de salida: al introducir una senoide por una entrada y dejar la otra al aire, aparece por segundo canal una salida que se asemeja a una senoide ruidosa de igual frecuencia que la entrada excitada. Ante una entrada de 91’2 Vpp la salida del otro canal es de 51’2 mVpp, constante en todo el rango de frecuencias intermedias. Esto supone una atenuación de 65dB. - Como se señaló antes, la curiosa saturación que aparece entre los 166’6 KHz y los 256 KHz, que, aún siendo irrelevante por estar fuera de las frecuencias audibles, no deja de resultar interesante. 2.9. Pruebas psicoacústicas. Para sistemas de audio, cuya salida es un sonido que va a ser escuchado por el oído humano, las pruebas más importantes que miden sus prestaciones no son otras que las psicoacústicas. Esto es, sólo una persona escuchando atentamente la salida de un altavoz puede decir si lo que está escuchando es o no de su agrado. Con esto, las pruebas piscoacústicas miden el grado de pureza (es decir, de ausencia de ruido, claridad y correcta amplificación de todos los instrumentos y todas las frecuencias) del sonido reproducido. A pesar de su importancia, las pruebas sistemáticas, en el caso de sistemas de audio, no deben ser consideradas salvo para la observación de efectos que el oído no puede captar, para el estudio de relativa importancia de la ganancia frente a la frecuencia, para conocer distintos parámetros eléctricos (tales como la saturación) o para saber a qué frecuencias ocurren y en qué consisten los efectos de distorsión que el oído está escuchando. Con esto, las mejores pruebas psicoacústicas consisten en introducir distintas señal de audio, de distintos estilos musicales, en estéreo y con la mayor calidad posible, y observar atentamente lo que ocurre. Para ello usamos un reproductor de CD portátil, que ofrece una calidad excelente, y distintos CDs de música de varios estilos y con distintos instrumentos que operan a distintas frecuencias. Los resultados obtenidos, que no se pueden reproducir salvo escribiendo las impresiones personales de los que las escuchamos, son las siguientes: (1) Sobre la calidad de sonido obtenida: 19
  • 16. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. - En primer lugar introdujimos a la salida el pequeño altavoz de un único canal1 que está en el laboratorio de proyectos de fin de carrera del departamento. La salida que escuchamos fue francamente decepcionante. No vale la pena valorar la mediocre calidad de sonido, ya que después se demostró que con otros altavoces esta calidad aumentaba significativamente. - En segundo lugar usamos unos altavoces estándar de ordenador, de dos canales1 , colocando cuidadosamente su jack de entrada de audio conectado a dos cables introducidos a su vez en la salida de la placa. El resultado fue bastante mejor, aunque la calidad tampoco nos gustó. - Por último colocamos unos altavoces excelentes de tres canales1 como salida. El resultado, en contra de las dos anteriores decepciones, fue impresionante: la calidad de sonido producida fue extraordinaria. Estuvimos alrededor de dos horas observando distintas canciones de distintos estilos, y en todas ellas la impresión fue inmejorable: sonido limpio, perfecto, con un volumen altísimo, sin distorsión (salvo, lógicamente, las distorsiones introducidas por los músicos de ciertas canciones) y, a pesar de lo que nos temíamos viendo los diagramas de respuesta en frecuencia, la amplificación de frecuencias bajas parecía perfecta. Esto es, observamos especialmente lo que ocurría con los sonidos producidos por instrumentos bajos (contrabajos, chelos, etc.) y sonaban mejor que en la mayoría de sistemas de audio que conocemos. Así mismo, comprobamos los efectos de saturación al subir en exceso el volumen de la fuente de sonido. Sin embargo, esta saturación no se aprecia salvo cuando el volumen es realmente alto, como se indica a continuación. 1 Aclaración: Un altavoz de varias vías no es más que una caja formada por varios altavoces (uno por cada vía) de forma que cada uno está diseñado para reproducir un rango distinto de frecuencias. Así, un altavoz de 3 vías tendría una para frecuencias altas, otra para medias y otra para bajas, siendo el tamaño de los altavoces pequeño, medio y grande, respectivamente. A la entrada de cada altavoz hay un pequeño filtro que elimina las frecuencias indeseadas para esa vía. De esta forma se consigue una reproducción mucho mejor. (2) Sobre el volumen a la salida: 20
  • 17. Técnicas para el control digital de un amplificador analógico de audio. Ignacio Moreno Flores. 21 En cuanto al volumen de salida, comprobamos claramente que podía subir muchísimo sin perder calidad, es decir, sin llegar a saturarse hasta alcanzar un nivel realmente alto (al menos a mí personalmente me parecía un volumen excesivo, al menos para las dimensiones del recinto en que estábamos) . Todo el laboratorio de proyectos de fin de carreras parecía una sala de fiestas, tanto que, estando la puerta cerrada, incluso algún profesor tuvo que llamarnos la atención, estando en su despacho al otro extremo del pasillo, y en viernes (que casi nadie trabaja y por tanto molestamos a menos gente). Conclusión: el amplificador produce un sonido extraordinario en todas las frecuencias apreciables por nuestros oídos, y el volumen es a su vez muy alto, lo que lo hace, al menos tras las pruebas realizadas, ideal para aplicaciones de altas prestaciones o semiprofesionales. El limitante principal es el altavoz, dato a tener en cuenta para futuros proyectos.