HEADPHONE AMP
INTRODUCCIÓN
El headphone, como su nombre indica es un amplificador para cascos.
¿Y porqué...? Normalmente se ponen unas resistencias entre
la salida del ampli de potencia y el jack y ya está.
Pero un amplificador siempre funciona mejor cuanta menos potencia se
le demanda. Por esto, un amplificador que dé 100mW podrá
amplificar más comodamente que uno de 1000.
Existen unos cuantos factores determinantes en la amplificación,
y la etapa de salida es una de ellas. En un amplificador de cascos,
se puede polarizar en clase A con los transistores BD139 y DB140, los
que se suelen utilizar como driver.
Este amplificador también se entiene como un experimento. Siempre
he sentido curiosidad por el sonido de los cascos, su enorme nivel de
detalle con presupuestos de risa (<100e)
Trataba también de probar un diseño no condicionado por
elementos externos como la fuente de alimentación, acoplo con
el altavoz, etc. Y sobre todo, trataba de probar la topología
super simétrica, en la que teóricamente la se cancelan
los armónicos de orden par, los no simétricos.
Y el fin del experimento era el V-AG, el amplificaodr de agudos de
mi sitema triamplificado.
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REQUERIMIENTOS
Lógicamente no es lo mismo un amplificador que puede atacar
cargas de 2Ohm y suministrarles 100W que uno que ataca unos cascos.
Los cascos tienen una eficiencia muy alta, principalemente poque la
distancia entre la fuente emisora y nuestro oído es mínima.
La potencia requerida es habitualmente menor de 100mW. La impedancia
de unos cascos puede variar entre 150Ohm (suelen ser cascos buenos,
caros) y 32Ohm (los de los discman). Con esto, 5V de varación
máxima de voltaje a la salida ya sobra.
En el caso que nos ocupa, el mejor lugar para poner el amplificador
de cascos es el filtro activo y preamlificador. Disponemos de una alimentación
de 25V simétricos.
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TOPOLOGÍA
Se trata de un amplificador en supersimetría.Esto es que para
cada etapa con trnasistores N (o NPN) existe otra con una configuración
semejante con transistores P (o PNP) que trabaja en paralelo con ella,
y en la última etapa, se superpone la contribución de
los dos "lados" el N y el P.
En el siguiente gráfico se vé la forma natural de dirtosrión
armónica lineal, de orden par, las ondas "picudas".
Cuando el voltaje está próximo a la alimentación,
el efecto Early, la variación en la corriente y otros efectos
hacen que varíe la ganancia.respecto del caso contrario, con
Vce bajo. Esto da lugar a la ondas asimétricas respecto de V=0.
De esta manera, la distosrsión que crea el lado NPN se cancela
con la del lado PNP. No hay errores de fase, es instantáneo,
n osufre de retrasos como la realimentación global, por eso es
una técnica muy interesante que puede dar sus frutos Y había
que comprobarlo...
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El resto de la topología emplea los conceptos usados anteriormente
Entrada. Dos etapas diferenciales con fuente de corriente, degeneración
de emisor, carga pasiva y modo cascodo.
Etapa de ganancia en voltaje: Es una etapa en clase A con modo
cascodo y degeneración de emisor. La gran peculiaridad
es la carga. Su carga es una fuente de corriente, una carga activa,
pero esta fuente de corriente es una fuente de corriente controlada
por el lado contrario. Esta etapa en el fondo es un forcejeo entre
las dos fuentes de corriente, la del lado N y la del P.
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Los puntos principales son:
- Para simlpificar la nomenclatura, a los componentes del lado N se
le ha añadido la letra N y a los del lado P, la P, INDEPENDIENTEMENTE
de si son NPN o PNP.
- Q1N, Q2N, Q1P, Q2P son los transistores de granancia de las etapas
de entrada.
- Q3N, Q4N, Q3P, Q4P son los trnasistores cascodos de las etapas diferenciales.
- QIN y QIP son las fuentes de corriente que polarizan las dos etapas
diferenciales.
- QV1N y QV1P son los trnasistores de ganancia de segunda etapa, la
de ganancia en voltaje. Cada transistor es una fuente de corriente
controlada por la etapa anterior, y eso es lo que "ve" cada
transistor sobre el contrario. Para en PNP, el NPN es una simple fuente
de corriente, una carga activa, y para el NPN, lo mismo.
- Para degenerar las fuentes de corriente (degenerar la carga) se
usan RLN y RLP.
- La etapa de salida es una etapa estándar puch-pull. La compensación
térmica también es necesaria aquí, a pesar de
que no se consuma gran potencia. El deslizamiento térmico dá
una idea de qué es. Siempre ocurre, y simpre va a mas, por
lo que debe estar corregido.
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CONSTRUCCIÓN
Puestos a experimentar, seguimos con la técnica empleada en
el AMP v-UR de soldar las resistencias por debajo, asi si hay 25 resistencias,
y la PCB tiene 1 o 1.5mm de espesor, por cada para nos ahorramos mínimo
50mm, que son 5 cm de pista "angulosa". Todo influye.
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FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Se disponía de la fuente de alimentación del filtro activo,
con un sobredimensionado transformador toroidal de doble secundario
de 25+25V y 60VA De aquí se podía hacer una regulación
propia
Con los reguladores integrados de tensión 7815 y 7915 y dos
diodos zener de 4,7V o 5,6Vse puede obtener una tensión regulada
de 20V, positivos y negativos.
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Esto es para
alimentar a la etapa de ganancia en voltaje. Pero es perfectamente
posible alimentar a la etapa de salida con ellos, aunque no se
obtiene ningún beneficio aparte de tener una pista menos
en la PCB.
Esta fuente,
por la suma simpiicidad se realizó en placa de prototipos,
Consiste en conectores, condensadores, dos integrados, dos zener
y dos fusibles.
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ETAPA DE POTENCIA
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Uno de los principales
problemas fue la colocación de las etapas en la caja ultraslim.
Los diseños ultraslim son muy bonitos, pero son sumamente
incómodos para trabajar. Este mide 4 cm de alto y hay algunops
condensadores como en la foto superior que no se puede poner de
pie, deben ir tumbados, porque literamente No caben.
Aquí se puede comprobar mi manía por poner condensadores.
Incluso para algo que no va a dar grandes potencias.
La colocación era nu problema bastante importante, el
único hueco que quedaba libre estaba debajo de los controles
de canal, volumen, filtro y mute, pero claro, ese espacio era
todavía más reducido.
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Con varilla roscada de 3mm se pudieron volver a hacer las prolongaciones
de los pulsadores. Los empalmes están hechos con la parte
metálca delas varillas de empalme. Un método muy
eficaz, incluso para potenciómetros y selectores rotatorios.
Abajo se pueden ver con detalle. Son la pieza que hay dentro
del plástico, que se rompe con facilidad.
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Sobre la polarización de la etapa de salida, se emplearon
20mA Resulta curioso que se puede mantener en clase A en un buen
rango dinámico con esa corriente, que es prácticamente
clase B.
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El disipador no está calculado, podía funcionar al aire
libre drante un rato, pero ya que la resistencia térmica de los
DB139 y BD140 entre la cápsula y el aire es bastante alta, se
decidió poner una lámina de aluminio anodizado de 100cm^2,
completamente sobredimensionado.
El aislamiento entre la cápsula y el disipador se hizo con almohadilla
termoconductora, en vez de los sucios micas y la grasa térmica.
Funciona muy bien, quizás para repetidas manipulacoines se justifique
su coste.
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LOS PROBLEMAS
Existe un problema del que no me percaté durante las pruebas.
El conector jack hace cortocircuitos al conectarlo o desconectoarlo.
Tras retirar los transistores quemados y la nube de humo traré
de pensar una solución no intrusiva con el sonido.
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El TL072 tieen un método de protección contra cortocircuitos
que está basado en utilizar resistencias muy altas en los
emisores de los transistores de salida. Al aplicar la realimentación
la impedancia de salida baja de proximaamente 200Ohm a menos de
1 Ohm. Su esquemático se encuentra a la derecha. Se ha
sacado de su hoja de características. Al pinchar sale esta
página en PDF. Se debe prestar atención a los valores
de las resistencias de emisor, casi las únicas marcadas,
para recalcar su función.
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El caso es que cuando se demandan más de 60ma (con una alimentación
de +-12) la tensión a la salida es de 0V, suponiendo un cortocircuito
con tierra, pero la tensión en el emisor del transistor NPN de
salida es de casi 12V, es decir, está en saturación y
el circuito no puede proporcionar más corriente.
Es un método que no causa cortes como los típicos con
transistres, aplicados en el resto de amplificadores operaciones, en
el momento de una gran demanda. Pot supuesto que tiene sus problemas,
puede llegar fácilmente a recorte, y se desaprovecha gran parte
de la tensión de alimentación. El voltage swing
es pobre y muy dependiente de la carga. Además puede causar instabilidad
al atacar una carga capacitiva, ya que la impedancia de salida junto
al condensador pueden formar un polo a frecuencias incómodas.
Su actual sustituto es el Headphone 2.
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