AMPLIFICADOR US-2
INTRODUCCIÓNEste amplificador pretendía ser la realización práctia de mi propia interpretación del minimalismo. ¿Y qué significa para mi el minimalismo?
Pero el objetivo sigue siendo el mismo. No creo que sea permisible dese el punto de vista del diseño prescindir de cosas. Por ejemplo, un ruido de alimentación es inadmisible desde mi punto de vista, sea minimalista o no. El método de combatirlo es ya otra historia. Con esto quiero dejar aclaradas todas las dudas posibles. Minimalismo en mi opinión no significa "más barato", como suele significar comercialmente en todo lo que viene de Asia. en todo caso se requerirá que sea más caro, ya que por ejemplo para eliminar el ruido de 50 Hz de la alimentación con un filtro LC se necesita mucho más presupesto que para hacerlo con un 78xx, también la calidad de cada componente es crítica, ya que cada parte está ahí por una razón específica no supérflua, y se requiere su perfecto funcionamiento. De otra manera no se podría considerar minimalista. En mi opinión ningún minimalismo justifica que se degrade de manera obvia la calidad. En el caso de los triode single ended, la THD a plena potencia puede subir a niveles escandalosos, pero a niveles de escucha moderados es baja. En este caso es permisible, se conoce su función, y de hecho existen pantallas específicas de alta eficiencia. En muchos casos también el minimalismo limita la facilidad para reducir el diseño a bloques, estrategia muy útil que permte hacer por ejemplo una fuente de alimentación que valga para muchos diseños diferentes. También reduce la escalabilidad: esa fuente puede servir para alimentar exactamente 2 etapas. Para uno no funciona y para tres o más tampoco. Se sobreentiende que un diseño minimalista no tiene que ser más sencillo a nivel de diseño, posiblemente sea más complejo. Un caso que no creo justificable, y es más, deploro, es el mal uso del término "minimalismo". Una minicadena no es "minimalista" porque sea pequeña ni porque tenga pocos botones. Un filtro para altavoces que consista en un condensador en el tweeter no es minimalista, es una chapuza. Desde el campo comercial de series baratas se trata de parasitar el buen nombre ganado por el minimalismo, cuando lo único que consigue es mancillarlo y no llamar a las cosas por su nombre. OBJETIVOS DE DISEÑOLos objetivos de diseño son los habituales en el campo de la HIFI. Reproducir la señal de la forma más fiel a la original. Parece un poco de perogrullo, pero es ese mi objetivo siempre y debe ser el de cualquiera qe diseñe en base a la HIFI. La manera de cumplirlo es la siguiente.
Los 5 primeros sub-objetivos parecen obvios, el 6º no lo es tanto. ¿porqué si es todo tan científico vamos a seguir haciendo pruebas de oído? Porque como dijo Tchebychev "apartar a la ciencia de la realidad es como esterilizar a una vaca aislándola del toro". En los años 70 los amplificadores cumplían los requisitos de diseño y no eran buenos ante una prueba subjetiva. Posteriormente se han ido descubriendo nuevas formas de distorsión que justificaban esos resultados subjetivos. De momento estas son nuestras herramientas y hemos de trabajar con ellas. No podemos ignorar que dentro de un año se puede descubrir una foma de distorsión que puede justificar cambios audibles. REALIMENTACIÓN.Uno de los campos que más ha dado que hablar y que tampoco se ha llegado a un acuerdo es la realimentación negativa. En este diseño se prescinde completamente de la realimentación global negativa, ya que no es estricatamente necesaria para cumplir los criterios de diseño, aunque ayuda de manera muy beneficiosa. En cierto modo también es un reto, en tubos se ha conseguido hacer, en transistores están varios diseños, contando con más fama el LCaudio Millenium. Lo que si que conseguimos es eliminar la intermodulación temporal "dura", y ya que no es necesario compensar en frecuencia esta etapa, podemos llegar a un ancho de banda y slew-rate importantes, lo que evitará la intermodulación "leve"; evitamos cualquier interacción entre la carga y la etapa, evitamos inestabilidad... en general todos los defectos asociados a la realimentación. Pero también sus ventajas, principalmente la reducción de la distorsión, pero también la menor impedancia de salida, el rechazo al ruido de alimentación,... Todos esos puntos deberán esar controlados de antemano, ahora nada los corrige. Se habla mucho de la velocidad en los amplificadores. ¿Qué sentido tiene en un amplificador con bajo o nulo factor de realimentación? Posiblemente ninguno. Mientras cumpla con lo mínimo posible que impone el uso de un CD, que está alredor de 1V/us con esta ganancia, es más que suficiente. Pero la velocidad es una manera de indicar cómo de rápido un amplificador corrige sus propios errores... aqui no tiene sentido un aplificador con 1000v/us. PRIMERA IDEA DE DISEÑO.Lo primero es que hay que conseguir ganancia en tensión y ganancia en corriente, ya que esto es en sí mismo amplificar. Esto se puede hacer en una sóla etapa (clase A single ended) o en dos (amplificación en voltaje seguida de amplificación en corriente), y como la primera está desarrollada en el amplificador Zen de Nelson Pass, no sería honesto ni imaginativo seguir por ahí. Desde luego ese es el sumum del minimalismo... una sóla etapa, aunque dos no está mal . Utilizaremos una etapa de amplificación en voltaje en clase A con carga pasiva, y una etapa en emisor común de salida, reciclando la topología del anterior US1. ETAPA DE SALIDA
Se emplean 4 transistores (2 de potencia y 2 drivers), más uno de compensación térmica. THDTHD lineal es la menos intrusiva de las distorsiones. La crea una etapa lineal por sus propios medios, sin condicnones externas del estilo de realimentación, modulación térmica, etc. Al igual que en toda etapa clase A, el problema viene al subir el volumen. La distorsión armónica aumenta, y hace el sonido estridente, pero es en todo momento coherente y no es agresivo salvo que alcance niveles preocupantes. Pero uno de los criterios es eliminarla, por lo que se trata de reducirla al máximo sin incurrir en otras distorsiónes. Los mecanismos por los que se crea la distorsión armónica en este tipo de etapas son principalmente las variaciones de corriente en el dispositivo de ganancia, y sus variaciones de voltaje. También cada tipo de elemento de ganancia tiene su propio espectro de distorsión en condiciones equivalentes. Los transistores MOSFET son los que menos distorsión teórica tienen al tener una distorsión de orden par 4 veces menor que un BJT y carecer de distorsión de orden impar. (cálculos de Terje Sandstrom) Por otro lado, si conseguimos mantener constantes la corriente y el voltaje del dispositivo de ganancia reduciremos estas distorsiones. MODO DE CONSEGUIRLO
Así también se puede utilizar un mosfet de señal y baja potencia, más lineal a menores corriente y con menos capacidad de entrada (esa capacidad de entrada no es constante, depende de VDS y causa distorsión a alta frecuencia) Esto a su vez nos permite el uso de la degeneración de fuente, que es una realimentación negativa, pero local. Contribuye a estabilizar la ganancia frente a temperatura, frecuencia y las caracteristicas propias de cada transistor de gananacia. RUIDOEl ruido de entrada está dominado por el que ya lleva la línea. El control de volumen es el peor elemento en este aspecto. Como siguiente opción, se puede aumentar el número de FETs a la entrada, así se divide la densidad de ruido de voltaje por raíz de n. Pero en este diseño, sin realimentación global y con una etapa en clase A con casi nulo rechazo al ruido se debe hacer algo más que poner condensadores para evitarlo. Hay que regular la alimentación. Estamos ahora al borde del minimalismo. ¿qué hacemos? un zener puede no ser suficiente, por otro lado tenemos un integrado regulador de la serie 78xx.que a pesar de ser monolítico sabemos que lleva 20 transistores dentro, más que el resto del diseño.¿es esto lícito dentro de los términos del minimalismo? Es una pieza barata, monolítica y que puede ir acompañada de los habituales filtros RC o LC. Vuelvo a destacar...la etapa de ganancia en clase A tiene un rechazo al ruido de alimentación prácticamente nulo.. Existiría de todas maneras una cierta incongruencia si se usase algo sencillo que da menos prestaciones en vez de algo monolítico pero complejo que las da mejores. Es que el 99% de los DAC va seguido de un operacional que no cumple con el minimalismo. Y aún así, en los estudios de grabación también los hay. Esto es en el fondo un excusa, no se deben hacer las cosas "por que otros las hacen así". Mi decisión fue usar los 78xx/79xx y filtros RC para hacer lo que no pueden hacer los integrados. Es una decisión discutible desde el punto de vista del minimalismo y del purismo, acepto las críticas pero es la que mejores resultados da. Lo mismo con la tensión de alimentación negativa.. La etapa de salida no tiene porqué ir regulada, su rechazo al ruido es bastante alto, pero requiere que la tensión no baje a menos de 24V, y eso sólo se puede hacer a golpe de microfaradio, ya que los condensadores tenderán a cargarse con Vp en vez de VRMS. POTENCIALa potencia, ese tema tan incomprendido. Qué pensará la gente que se compra amplificadores de 200W cuando el nivel normal de escucha no pasará de 10... Y ya que la etapa de salida es en clase A, podríamos determinar una potencia modesta que permita escuchar a ceca de 100dB unos altavoces de 90dB /1m La potencia escogida son 9+9W, lo que permite utilizar una tensión de alimentación de 24VAC, estándar entre transformadores y fácil de conseguir,.y que da 99dB con una onda senoidal. Si a alguen le parece poco, no tiene mas que probarlo. Estos 9W son W de verdad. y ahora, la alimentación ¿será simétrica? si es así debe llevar un servo de DC, ya que sin relimentación nada lo protege contra la deriva.térmica, lo que complica el diseño y no es crítico para los objetivos. Utilizaremos una tensión no simétrica de alimentación y acoplo capacitivo. sin realimentación y condensadores low ESR el término dominante de la resistencia de salida es la resistencia de la etapa de salida. Por otra parte, con corrientes de 2A(pico) es conveniente usar Low-ESR, si no se desea verlos hincharse por el calor y reventar. Un polipropileno puede ayudar con la alta frecuencia.
Ahora, la alimentación de la etapa de ganancia en voltaje no pueden ser 0-24V.. no se sirve para dar la máxima potencia a la que puede dar la etapa de salida. Que no de mucha no quiere decir que encima la desperdiciemos. Es obligado utilizar una alimentación negativa, y si se pretende regular la alimentación de la etapa de ganancia en voltaje se requere un "plus" de voltios. Estas dos tensiones pueden salir del mismo transformador utilizando un doblador de tensión y la negativa, rectificando hacia el lado negativo, sin necesidad de transformadores auxiliares.
EQUILIBRIO EN DCEl equilibrio en DC es un tema complicado, aqui no hay nada que ayude. Así que se usará un potenciómetro que marcará el pùnto de operación en DC, que en reposo debe ser el punto medio la tensión de alimentación, es decir, 12V. TOPOLOGÍA
|
|
Finalmente la topología empleada es ésta. Se vé que no hay ningún lazo de realimentación global. No puede haber por tanto nigún tipo de inestabilidad o TIM, y el ancho de banda será muy muy amplio, lo marcarán los transitores de potencia prácticamente, por tener la menor Ft de todos. Pero esto no quiere decir que no se halla utilizado la realimentación. La degeneración de fuente es una realimentación de corriente de la etapa en si misma, instantánea y sin degradación a alta frecuencia ya que no debe lidiar con el efecto Miller. Es tan obio que es una realimentación como que la ganancia acaba siendo -Rc/Re tanto mayor sea la ganancia del transconductor. Esta es la fórmula de la ganancia de la etapa inversora... ¿curioso? |
 |
Incluso el CFP lo es, de ahí su tendencia a la inestabilidad
en sistemas realimentados. Ambos transistores están en un delicado
equilibrio que impide que uno de los dos esté en corte y el otro
en conducción, o viceversa, y se mantiene por una realimentación
de las corrientes de colector de uno en otro.
Por lo demás, nada especial. etapa divisora de resistencias para acoplar la señal de entrada, resistencia variable que marca ese punto de tensión, y en los condensadores de acoplo, al poner los condensaodres en paralelo se divide su ESL y ESR por n, así que.. eso he hecho. 3000uF suponen un polo a 6,6 Hz con 8 Ohm, debe ser suficiente, aunque se puede mejorar.
Como técnica de protección, la puerta del FET es muy sensible a la tensión, se utiliza un diodo zener a modo de protección contra la susceptibilidad eléctrica, que evita que una alta tensión de entrada perfore la puerta.
La fuente de alimentanción, en la parte de potencia, consiste
en un rectificado estándar y un filtro pi. Aunque esto no es
estrictamente necesario por cuestiones de ruido (alimenta una etapa
en colector común, que es muy insensible al ruido) los picos
de corriente requeridos para cargar los 65000uF de la fuente pueden
ser excesivos, y destruir el puente de diodos. Por eso, las bobinas
del filtro pi limitan esta corriente. Los dos primeros condensadores
son de 4700uF
|
Por la manera de rectificar, con un puente de Graetz, la forma más eficiente en cuanto a tensión y ruido, nos quedamos con que ahora para las demás tensiones (a menos que el transformador tenga varios bobinados) tenemos el equivalente a 12V, lo que es a todas luces insuficiente para dar -12V regulados y +35V también regulados. Por esto, la fuente de alimentación se basa en elevadores e inversores de tensión, y en reguladores realimentados e integrados. Usaremos un doblador de tensión negativa (sacaremos -24V y regularemos) y un cuadriplicador para sacar 48V y regular a 35V. El coste de este circuito es siempre menor que utilizar otro transformador. |
 |
Como esa tensión es crítica, se han usado dos reguladores, uno estándar formado por R3, R4, C5, Q1 y D22, y luego el integrado formado por un 7824, R5, R21 y C10.
|
Para la alimentación de la etapa de salida, simplemente un puente de diodos sobredimensionado (25A) y una capacidad un tanto exagerada, 47.000uF que hubo que aumentar a 65800uF, pero es la única manera de reducir ruidos y garantizar una correcta operación en clase A. A la derecha se puede observar uno de los bancos. |
 |
|
Se utilizó placa sin material fotosensible por la extrema sencillez del diseño, el ataque se realizó con cinta autoadhesiva formando el dibujo. En ocasiones es más sencillo hacer esto que cablear, por motivos de tiempo y dificultad en el montaje. |
 |
|
En la foto se puede ver un prototipo de la fuente de alimentación. A la izquieda, los dobladores y reguladores, en medio el puente de diodos y un banco de condensadores. No es posible apreciar unas pequeñas bobinas que tienen como fin reducir los picos de corriente que genera una capacidad tan exagerada, están detrás de los condensadores. |
 |
|
A la derecha se puede observar el regulador de tensión, basado en una generosa cantidad de condensadores. A pesar de todo, hubo que añadir un mayor filtrado RC, lo que se hizo añadiendo una resistencia de 100 Ohm diréctamente en el cable. |
 |
Dadas las características de las alimentaciónes, cada etapa de potencia tiene su regulación mediante red RC propia de los -12V y de +35V, que van en el aire. Es necesario bajar el ruido por todos los medios posibles.
|
El soft start es necesario ya que los 47000uF de la fuente de alimentación requieren un aporte de corriente muy grande. Se usa el modelo estándar, que se alimentará de los 48V que produce el cuadriplicador. El mismo regula internamente a 24V para que no dependa de una tensión insuficiente en el momento de arrancar. |
 |
|
Los altavoces están bastante protegidos gracias al condensador de salida, y sobre todo: es la etapa que menos ruidos hace al encenderse y apagarse. Resulta increíble la limpieza con la que "surge" la música del silencio, y cómo vuelve a entrar en él sin ningún "pop". |
 |
|
Pero a pesar de eso, se usa un relé de protección (arriba, derecha), ya que el propio soft start controla esa función y siempre es posible que surja un estado espúero como un leve apagón o una bajada que produzca un funcionamiento incorrecto. Una vez más utilizamos formas sencllas de generar las PCBs, como se puede ver a la derecha. |
 |
Para la fuente de alimentación, ya se han adelantado que la capacidad de filtrado son 47000uF. Se usa un puente de diodos sobredimensionado y dos bobinas para eliminar ruidos de alta frecuencia en la alimentación y los picos de corriente.
|
Los disipadores de calor son menores de lo habitual, aunque tienen un tamaño considerable. Van a disipar entre 24 y 36W en reposo (depende de la polarización), lo que no es ninguna miseria. No es estrictamente necesario montar esta etapa en PCB, se puede hacer en placa de prototipos, la de cuadraditos, aunque como el diseño de PCB es libre y sencilo, se puede copiar para uso personal y no lucrativo. |
 |
Cuando se hace un amplificador en clase A se comprende por qué no hay diseños comerciales de estas caracteristicas.
|
El hombre es el único animal que tropieza dos veces con la misma piedra, salvo alguno obstinado que la rompe a la tercera. Volví a usar perfiles de estantería metálica, y planchas de aluminio en los laterales, a pesar de que las 3 semanas que me costó meter el primer V-AG en otra semejante. |
 |
|
Pero esta vez el la organización de la caja estaba pensado de antemano y había espacio de sobra. Aunque es un método poco depurado para el homo sapiens, el ensayo y error, también llamado experiencia, es un método que da muy buenos resultados. Por eso, una vez localizados los errores de diseño se puede comenzar una nueva versión. |
 |
|
El primer problema era que debía caber toda la estructura del disipador y la etapa sin realizar ninguna maniobra extraña. Lo segundo era una correcta ventilación, y en tercer lugar, se debían poder montar fácilmente todas las placas de alimentación/auxiliares que irían en el fondo de la caja. |
 |
|
 |
|
Arriba a la derecha se ve la organización y el taladrado de esa plancha. A la derecha, la misma plancha con los elementos ya colocados. Sorprende la sensación de orden y espacio, muy diferente de otros diseños anteriores. Incluso con todos los cables conectados entre si. |
 |
|
Montar la fuente en una plancha separada facilita enormemente su conexionado, y dejar una longitud suficiente permite maniobrar cómodamente con las etapas. Queda un único tema pendiente: hacer que los agujeros de los perfiles coincidan. Entonces éste método permitirá hacer chasis muy baratos (menos de 30€) y rápidos. |
 |
|
Por las caraterísticas del propio diseño, si fue posible medir la distorsión armónica y algún factor más. Para el nivel habitual de escucha, THD está en un 0,18%,
con el segundo armónico dominante y sin rastros del 3er
armónico. Esto se ha probado con el monitor, recordemos
que su eficiencia es de 85dB1W/1m, y la tensión de salida
para esta prueba es de 1.45VRMS. Éste
nivel de distorsión se mantenía hasta corrientes
de polarización de 0.25A. |
 |
|
La distorsión a niveles de potencia máxima (medido 8WRMS, sin llegar a entrar en recorte), llegaba a 0,65%, donde se comienza a aprecial la entrada en recorte de la etapa de salida (por los armónicos de orden impar). Para 9WRMS, con un principio de recorte, THD llega al 1%. Se puede comprobar que el orden de los armónicos generados es muy bajo y que durante la escucha no se llega fácilmente a recorte (con las limitaciones obvias), y la distorsión no alcanza la cifra escandalosa del 1%. La impedancia de salida, ZOUT=0,3 Ohm, lo que proporciona un damping factor a 8 Ohm de 25.72. Está medido a varias frecuencias (100, 1000 y 10000Hz) y permanece constante, con las únicas variaciones que pueden ser debidas perfectamente al error causado por el instrumental. |
 |
|
El nivel de ruido también está muy influido por el instrumental. El cable recoge ruido de 50Hz y no permite obtener una cifra de ruido menor de -40dB, aunque otras mediciones con osciloscopio y polímetro indican que el ruido dominante es el causado por la alimentación y que SNR con la máxima señal de salida es de -65dB. Los ruidos aleatorios están a menos de -80dB. |
 |
En la foto de la derecha se puede observar la forma del ruido. Cada cuadrado supone 50mV y 20ms. Este fue el motivo de añadir un filtrado RC extra que redujo este ruido a 10mVp-p, y esa cantidad es básicamente lo que aparece en la salida. Sólo se escucha ruido acercando el oído al woofer, con lo cual se dio por satisfecho ese punto del diseño.
La ganancia en tensión es algo menor de 20dB, (lógico para esta potencia), pero qe aconseja emplear un previo con ganancia 2-4 (+6~+12dB).
La impedancia de entrada es dependiente del punto de polarización. En todo caso siempre es mayor de 20k Ohm y tiene un valor máximo de 50k Ohm, lo que hace posible que sea atacada desde cualquier previo, aunque como con todo amplificador es conveniente que sea de baja impedancia de salida.
Su sonido es muy diferente al de los habituales diseños de transistores. Sus principal virtud es el grave medio, donde el nivel de detalle y la definición del sonido es netamente superior a muchos otros amplificadores. Esto presumiblemente se consigue principalmente por la imposibilidad de que la carga interaccione con la red de realimentación... ya que símplemente no la hay.
La tonalidad habitualmente raquítica del sonido a transistores es sumamente diferente a la de este amplificador. Los intrumentos que más sufren esta incorrección en la tonalidad, los de cuerda, cobran cuerpo y desde luego su timbre es más real con niveles de escucha moderados. A niveles de escucha más altos la adición de armónico de 2º orden da un gran carácter a la cuerda, trompetas y saxos, lo que a nivel de alta fidelidad es incorrecto, pero a nivel de escucha es mejor para estos casos.
Precisamente esta adición de armónico de 2º orden da un timbre menos acertado a instrumentos como el flautín, aunque para niveles discretos de potencia, o cuando hacen de acompañamiento sulen permanecer inadvertidos. En todo caso un oído no educado no percibe esa caraterística..
El grave es muy profundo, también curioso al tener acoplo capacitivo, tampoco se explica por el hecho de que el damping factor sea alto e interaccione con RE en el altavoz, modificando QES, ya que no es suficientemente alto, supone que QES aumenta sólamente un 5%, frente al 50 o 100% que podría aumentar con algunos modelos de válvulas. El nivel de impacto físico es menor que en los diseños convencionales, aunque no se echa en falta.
|
Respecto a la voz, concretamente la voz masculina mejora notablemente debido a la tonalidad. Se hace más cálida y más envolvente, pero sin coloración como sucede al escuchar un programa de radio por la noche. |
 |
La intermodulación en frecuencias es numéricamente mayor que en otros amplificadores, pero en términos acústicos y olvidando la definición SMPTE y CCIF de IMD, al concentrar la atención en un sonido agudo (platillo por ejemplo), su presencia en el sonido final no varía ante la presencia de sonidos más graves (bombo por ejemplo). No se produce una interacción notable entre las bandas, a pesar de que numéricamente el fenómeno debería ser mayor que en amplificadores de estado sólido basados en grandes factores de realimentación.
De alguna manera en amplificadores de estado sólido convencionales se produce otro tipo de intemodulación que no se puede medir con CCIF o SMPTE pero que se elimina por las características de esta topología, que no son exclusivamente la ausencia de realimentación... también está el CFP, el cascodo, la carga pasiva, una única etapa de ganancia en voltaje...
En todo caso no se puede considerar un amplificador de alta fidelidad por sus cifras, pero ni mucho menos puede caer en el terreno de las minicadenas, radiocasettes o altavoces multimedia que si tienen estas cifras, como a nadie se le ocurriría meter a los amplificadores de válvulas en ese grupo.
* * *
Desde el punto de vista del sonido ha sido algo inesperado, es un amplificador para escucharlo tranquilamente, lejos de las grandes dinámicas y de los altos SPL. Su sonido es sumamente agradable, no causa estrés, es cálido, profundo, limpio y aporta su timbre, lo que puede ser bueno o malo según se mire. Sus problemas, no es un amplificador para montar una fiesta, no es un amplificador para montar un home cinema, no es un amplificador para llevar a los amigos, poner el volumen al máximo y decir "mira cómo suena".
|
No recomiendo este proyecto a quienes quieran escuchar bandas sonoras, ni música que se pueda encontrar en un bar de marcha. Es un objeto con un fin concreto, únicamente recomiendo este proyecto a melómanos, a gente que se siente en el sillón y se deje llevar por las sensaciones producidas. Chill out, trip-hop, clásica, cuartetos de cuerda, jazz años 60,... |
 |
Desde el punto de vista de diseño, ha sido muy gratificante hacer una incursión en un terreno nuevo y que halla salido razonablemente bien. Queda la idea de que por este camino se puede llegar más lejos, se pueden obtener distorsiones más bajas utilizando otra etapa de ganancia en voltaje y planteándose introducir un factor de realimentación global ínfimo, de entre 6 y 12db, lo que obviamente no cumplía los objetivos del diseño, ya que US-2 significa Ultra Simple-2
