AMPLIFICADOR
S-SUB

 

INTRODUCCIÓN

Diseñar un amplificador específico para subwoofer tiene unos requisitos ligeramente diferentes a los de un amplificador de rango completo. Este diseño en concreto pretende ser escalable en cuanto a potencia, un amplificador versátil.

Respesto a los criterios de diseño, hay que señalar que en general hay una gran relajación en muchos puntos del diseño. En cuanto a distorsión, en todo caso debe ser baja, pero ahora tememos un ancho de banda muy reducido frente al que los tansistores (incluido los de potencia) tienen un ancho de banda muy superior. Esto quiere decir que todos los problemas asociados a realimentación (TIM, inestabilidad, ...) quedan muy reducidos, y prácticamente eliminados. Esto implica que por ejemplo se puede usar un gran factor de realimentación para reducir la distorsión. También las características de la banda a reproducir hacen que se pueda relajar en cuanto a IMD, ruidos aleatorios.

Pero estos criterios de diseño se endurecen en cuanto a potencia e impedancia de salida, y en cuanto a rechazo al ruido de alimentación.

THD debe ser simplemente baja, como en todo amplicador. La excusa de que el altavoz llevado a grandes excursiones alcance niveles muy altos de distorsión armónica no justifica que el amplificador tenga más de un 0.1%.

Así que se deben tener en cuenta factores como el efecto Early, la reducción de beta a grandes corrientes, y la capacidad de suministrar grandes corrientes al woofer.

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PRINCIPIOS DE DISEÑO.

Lo bueno es que el balance entre unsa cosas y otras es que se permite un diseño más relajado de la amplificación en voltaje, donde además podemos apoyarnos en un gran factor de realimentación para reducir THD. Asi mismo supone un diseño más rígido en la etapa de salida.

Esto a su vez permite utilizar una etpa en clase AB con una baja corriente de polarización para aumentar su eficiencia, ya que un requisito fundamentel es la potencia elevada. Ya no vale con 25W por canal.

El reducido ancho de banda nos salva de recoger las distorsiones de cruce por cero en la banda reproducida por el subwoofer. La distorsión se incrementa fuera de la banda que es capaz de reproducir el subwoofer(pongamos 3kHz máximo, un 10"), y la distorsión en la banda reproducida se puede eliminar mediante un alto factor de realimenatación.

Sin embargo, como consecuencia de la alta potencia aparecen dos tipos de distorsión que en diseños menos potentes no habían aparecido. Se trata de la distorsión por el efecto Early (debido a grandes variaciones de voltaje en los transistores de ganancia) y a las variaciones térmicas que produce el consumo de potencia desigual entre ciclos positivos y negativos.

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TÉCNICAS EMPLEADAS.

La primera técnica usada es el modo cascodo. No tiene ninguna utilidad para aumentar el ancho de banda, ya que no es necesario. Su principal función es proteger a los transistores de ganancia de las grandes variaciones de voltage. Y como caso concreto, ya que una gran tensión Vce puede destuir al transistor, se pueden usar transistores delicados pero precisos del estilo de los BC5xx protegidos por otros más robustos y menos precisos del estilo del BD139y BC639, que no intervendrán en la ganancia.

La segunda, es la utilización de una fuente de corriente como carga activa en la típica segunda etapa de ganancia en voltaje, así las variaciones en la corriente del transistor de ganancia de esta etapa serán mínimas, aparte de proporcionar una gran ganancia en voltaje a esta etapa. La etapa diferencial de entrada no la requiere, ya que las variaciones en la corriente serán AVo(2) veces menores que lo esperado.

 

Queda ahora la etapa de salida. Como requisito fundamental, las grandes demandas de corriente que producen los altavoces deben ser atendidas para reducir la distorsión a gran SPL, que llena de armónicos de 3er orden la reproducción.

Esto se logra con una fuente de alimentación sobredimensionada, gran capacidad de filtrado y a su vez, en la etapa con una impedancia de salida muy baja. Esto se consigue fácilmente con los típicos transistor + driver, pero hay un problema frecuentemente ignorado. La etapa de ganancia en voltaje tiene como carga una impedancia infinita (la fuente de corriente), pero cualquier resistencia parásta en paralelo disminuye esta resistencia (la menor es dominante) y si esta impedancia es variable la distorsión crece.

Nos vemos obligados ( mejor dicho, aconsejados), lo primero a degenerar la carga (con ganancia 60dB en esa etapa es suficiente) ya que la resistencia menor es dominante, para que por lo menos que sea lineal, y añadir una pareja de drivers más, para que elimine cualquier vestigio de interacción entre la carga y la etapa de ganancia.

A la derecha se comprueba cómo es la estructura de esta fuente de corriente, y cómo R17 es dominante sobre cualquier otra resistencia parásita en paralelo.

Sobre el uso de estos drivers, es lógico que la etapa de salida esté en clase AB, o incluso podría estar en clase B por los motivos expuestos anteriormente.

Pero tres transistores en clase AB pueden crear una distorsión de cruce por cero excesiva, y recordemos que la realimentación reduce pero no elimina, y aunque es un diseño que no pretende ser el sumum, no es lógico recortar puntos que hacen que su distorsión sea menor.

Por esto, los drivers pueden ir en clase A con un consumo irrisorio frente a la corriente de polarización de las demás etapas, especialmente frente a la de salida que tiene entre 30 y 50mA de corriente de polarización.

Con 1mA la primera y 1.4mA (mínimo) la segunda, se pueden polarizar estas dos etapas de drivers en clase A y se evita así una gran distorsión cuyo coste de eliminación es ínfimo en precio, área de PCB, eficiencia y complejidad.

A la derecha se ve en detalle la manera de conseguirlo. Los pre-drivers (Q6 y Q13) son polarizados por R10, y los drivers (Q7 y Q14) son polarizados por R11.

 

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TOPOLOGÍA.

Es un diseño bastante típico, etapa diferencial de entrada, etapa clase A, y etapa de salida push-pull.

Sobre el circuito, no pretende tener una distorsión ultrabaja, tampoco es necesario pensando que el propio subwoofer puede llegar a distorsiones del 20%... con lo que da bastante igual si tiene un 0,1% (margen superior) o un 0,0005%.

CARACTERÍSTICAS GENERALES.

Como primera característica, la degeneración de los emisores es bastante leve, 8,2 Ohm en la segunda etapa y 33 Ohm en la primera, con el objetivo de conseguir una gran ganancia en lazo abierto, que permitirá reducir THD y mantener a un valor bajo al imprdancia de salida (o mantener alto el damping factor).

.Como segunda característica, no existe servo de DC. Durante décadas los amplificadores no han tenido servo de DC y nadie ha resultado herido. Aqui es permisible su ausencia ya que si hay un método de compensación del offset, se trata de un potenciómetro que iguala las corrientes de colector en ambas ramas de la etapa diferencial. La regulación del offset de DC se hace mediante la variación de la corriente de polarización de la primera etapa de ganancia.

etapa de potencia con disipador

Un pequeño offset es permisible a la hora de atacar un woofer, sus características de potencia y desplazamiento lo permiten. Aún así es posible obterner offsets de menso de 10mV.

La compensación del offset se hace con el potenciómetro, pero se puede añadir un condensador entre la resistencia de realimentación y tierra, por lo que la ganancia para DC será unidad. Hay que elegir este condensador de suficiente tamaño como para que empieze a funcionar a frecuencias menores de 1 Hz. El método para ajustar el offset es medir el offset a la salida, ajustar el potenciómetro hasta que sea menor de 0,02V (cuanto más próximo a cero mejor), esperar 10 minutos para que se estabilice el nuevo punto térmico de operación y volver a ajustarlo. Cuando se alcancen valores estables de menos de 0,02V ya se puede dejar.

Con el condensador el offset es siempre menor, así que es conveniente usarlo, pero se puede anular cortocircuitándolo.

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ETAPA DE ENTRADA

Consta de la típica etapa de entrada con una fuente de corriente y modo cascodo. Las razones de usar el modo cascodo son proteger a los delicados transistores de entrada. La etapa de entrada está polarizada con 1.8mA, es decir, 0.9mA por cada rama, un tanto bajo para lo que es habitual en mis diseños. Esto permite que la resistencia de carga sea mayor, da algo más de ganancia y reduce la input bias current, que ya que en este diseño no hay servo de DC, conviene reducir los elementos que causan el offset, y sobre todo los que dependen de temperatura.

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ETAPA DE GANANCIA EN VOLTAJE.

La etapa de ganancia en voltaje es una etapa en clase A con muy baja degeneración de emisor, sólo 8.2 Ohm. Se utiliza un BC559 como transistor de ganancia, y se protege con un BD140 frente a los granes voltajes que puede tener la salida. La etapa está polarizada con 6mA, más en lo habitual.

La compensacion en frecuncia se hace a través de Cmiller, el condensador que crea el polo dominante apoyándose en el efecto Miller.

Está compensado de sobra, su valor es de 47pF. De tal manera que es estable para ganancia 2, y en ciertas condiciones para ganancia 1. Esto es algo que sobra completamente, no es necesario, pero así puede atacar cualquier altavoz a través de cualquier cable capacitivo sin riesgo de oscilación, con ganacias mayores de 20. (26dB).

etapa de cerca

Precisamente los woofer con altas inductancias en su bobina de voz son los que más problemas generan a un amplificador, por la acción combinada de un cable capacitivo y una inductancia, que crean un polo.

La fuente de corriente está creada por un DB139, degenerada con una resistencia de 100kOhm, ya que la tonalidad es mejor así.

Hay que pensar que el voltaje en la base de Q11 determina el voltaje en ese punto. Tenemos que la fuente de corriente de la segunda etapa le marca la corriente que lo debe atravesar, y en modo activo la intensidad de base es despreciable. Esto marca que con una resistencia de degeneración de emisor de 8R2, tendrá una tensión de 0,03V, depreciable frente a las variaciones térmicas de Q11.

En el caso de que Re hubiese sido mayor, de 220 Ohm por ejemplo, hubiésemos debido tener en cuenta este voltaje, que en vez de 0,03 hubiese sido 1.32V. Así que la base está en algún punto entre -0.6 -0.7V respecto de la tensión de alimentación, por lo que el voltaje de la carga de la primera etapa es ese, y si queremos que la corriente que pase por las dos ramas sea la misma, debemos elegir una resistencia de carga que con 0.6-0.7V sea recorrida por la mitad de la corriente que proporciona la fuente, lo que da que con un margen de entre 1.6 y 1.2mA, nos podemos mover en un rango suficiénte como para regular el offset y llegar a la igualdad. Para ello se empleará un potenciómetro pequeño.

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ETAPA DE SALIDA

La etapa de salida es donde está la principal "novedad", un doble driver. Esto permite usar como primer driver a los BD639 y BD640, más delicados, con Betas mayores y más lineales con bajas corrientes, y como segundo driver los típicos BD139 y BD140. Con esto se consigue que las grandes demandas de corriente del orden de 10A no afecten a la etapa de ganancia en voltaje., es una forma de reducir IMDs creadas por una incapacidad de cargar con la etapa de salida.

Existen otros tipos de etapa más populares entre los amplificadores de subwoofer, lo cual no quiere decir necesariamente que sean mejores, tampoco peores. La razón de elegir este tipo de etapa es la alta transconductancia, la posibilidad de proporcioar grandes corriente sin esfuero, de tener una Z de salida muy baja y sobre todo, una gran estabiliad.

Todos los drivers están en clase A, es la única manera de reducir la terrible x-over distortion de esta etapa. De hecho, sin polarizar la etapa de salida (clase B pura) , con una ventana de 50mV en el osciloscopio a 5kHz no se aprecia ningún indicio.(en lazo cerrado, Av=27dB).

La corriente de polarización es de 50-70mA. La realimentación puede corregir la distorsión, y el rango reproducido, y ya que los armónicos que se generan en esta distorsión son de frecuencias altas que el woofer no puede reproducir, es permisible utilizar casi una clase B.

Etapa S-Sub al completo

El potenciómetro que regula la corriente de polarización debe estar en cero Ohm antes de nada. Ya en funcionamiento se debe elegir una corriente de polarización de 35mA. Hay que tener cuidado en esta operación, ya que la corriente de polarzación crece muy rápido a partir de un cierto punto, y es fácil pasar de 1mA a 1A sin darse cuenta. Para realizar esta operación se deben utilizar siempre dos resistencias en serie con la alimentación positiva y negativa. Unas resistencias bobinadas de 5W y de 8R2 pueden valer perfectamente.

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FUENTE DE ALIMENTACIÓN.

Sobre la fuente de alimentación, aquí se permite una gran libertad. Consta de dos módulos. La parte de alta potencia que alimenta exclusivamente a la(s) etapas de salida y otra fuente regulada con una tensión mayor que alimenta a la parte de ganancia en voltaje.

¿y esto por qué?.. pues porque permite aprovechar de manera más eficiente los preciosos W que debamos suministrar. Así los transistores de salida pueden llegar a saturación sin que el resto de la etapa lo haga, permitiendo que el "clipping" no sea tan duro (se elimina también el "sticky clipping"), que el recorte sea simétrico y que fundamentalmente se aproveche hasta el último W.

 

La alimentación de potencia consiste en la típica rectificación con un banco de condensadores detrás.

El módulo de regulación consiste en una etapa dobladora y luego ya la regulación ajustable en voltaje, con protección contra cortocircuitos. Éste módulo también es sumamente versátil. Con condensadores de 100v y 470uF se puede utilizar prácticamente cualquier tensión de potencia menor de 50V. También es posible usar condensadores de más voltaje que encajen en el footprint, o usarlos de más capacidad y menos voltaje si se requiere menos potencia.

El regulador en sí es un circuito realimentado, con un rechazo al ruido de línea de aproximadamente 40dB a 50Hz, inferior a los reguladores integrados 78xx, pero con una característica muy superior: aguantan más potencia, pueden regular tensiones mayores y pueden soportar variaciones y tensiones de entrada mucho mayores, por lo que su vida será mucho mayor.

La tensión de salida tiene un amplio margen de variación y es 5*(r1+r2)/r2, como la etapa amplificadora no inversora, que es lo que es. En este caso se controla esta tensión cómodamente con un potenciómetro.

Por supuesto esto mismo se puede hacer con los 78xx y los LM3x7, a costa de usar más componentes. La protección contra cortocircuitos es obligada cuando se pretende usar un condensador de salida, ya que a la primera carga se fríe. Es bastante estable frente a temperatura dado a que el Zener de 5.6V tiene un coeficiente térmico prácticamente nulo. Los errores vienen marcados por las input bias currentl. principalmente. De todas formas la variación de tensión es muy baja y no afectará al funcionamiento del amplificador.

Utilizando los transistores adecuados (MJ340 en lugar del BD139 y MJE350 en lugar del BD140) y condensadores del voltaje necesario, éste mismo circuito puede usarse para regular la alimentación en amlificadores a válvulas, donde se requeren voltajes de 200-300V

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Mediciones.

Potencia:
  • Desde 25 WRMS hasta 700 WRMS @ 4 Ohm
  Ancho de banda
  • power bandwith >80kHz.
  • F.compensación: 1kHz
  • Filtro RF: 80kHz
Z entrada
  • 47kOhm
  Ganancia
  • +26dB
SNR
  • >80dB ( > límite de medición)
  D.F.
  • >100 ( > límite de medición)
THD
  • 1kHz & 1W: 0.03%
  • 1kHz & 50W: 0.04%
  IMD (SMPTE)

60,7000 4:1;
9VP (60Hz) +2.25 VP (7kHz):

-61dB (0,09%)

Slew-rate
  • min 20V/us( > límite de medición)
  IMD (CCIF)

18 & 19 kHz 1:1;
8 VP cada una

-54dB (0,15%)

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Sonido.

Lo primero que hay que decir es que aunque sus características están optimizadas para graves, no está restringido a ellos, se puede usar perfectamente en rango completo (llega hasta 50kHz sin ningún problema).

Lógicamente su virtud es el grave y grave medio. Es limpio, consecuencia de la regulación del voltaje: es más inmune a los cambios e insuficiencias en la alimentación, también es consecuencia de la baja impedancia de salida y de su estabilidad. El grave también es profundo, debido a que no hemos abusado del factor de realimentación negativa: produce serias deficiencias tímbricas y en grave y grave medio es donde más se pierde. La capacidad de controlar el movimiento del cono es buena, por las caracteristicas de la etapa de salida, que también se mantienen a gran potencia.

Sus aplicaciones son: amplificador de subwoofer, amplificador de woofers en sistemas multiamplificados y amplificadores lineales de rango completo de gran potencia. Puede usarse en rango completo en sistemas domésticos, pero para ello debo recomendar la versión MOSFET.

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PCBs.

Se ofrecen las máscaras de PCB para la construcción de un S-Sub para uso personal sin fines comerciales. Descargar

La lista de componentes se puede obtener aqui. Descargar en XLS. Descargar en TXT.

Es posible obtener el kit o el módulo ya montado. Para ello, enviar un email a consultas.

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Escalabilidad


Instrucciones de montaje.

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AMP S-SUB - PCPfiles en www.pcpaudio.com