En los componentes de audio modernos convive lo digital y lo analógico. Pero las etapas de potencia, aquellas que entregan la señal amplificada a los altavoces para generar el sonido son mayoritariamente analógicas. Excepto los amplificadores digitales, también llamados de clase D.
Cualquier sistema de audio, sea HiFi o no, necesita una última etapa de potencia, en la que la señal musical se amplifica y se entrega a los altavoces. Esta etapa puede estar incluida en cualquier dispositivo de audio. Incluso unos minúsculos auriculares inalámbricos llevan un amplificador que forma parte de su circuitería. También puede formar parte de cualquier receptor AV, de un amplificador integrado (que incluye un preamplificador el amplificador propiamente dicho, o ser un dispositivo autónomo, que se suele denominar “etapa de potencia”.
Tipos de amplificadores
Los amplificadores más habituales son analógicos. Bajo este concepto se engloban los amplificadores de clase A, B, AB o C. Estos amplificadores actúan de diferente forma sobre la señal analógica de entrada, amplificándola en diferentes momentos en función del denominado punto de polarización, que es distinto en clase. En definitiva, con cada configuración se intenta solucionar diferentes problemas, incluyendo la máxima fidelidad de la señal, la eficiencia y la distorsión de cruce. Según el tipo de aplicación, y el tipo de dispositivo al que se aplica, se opta por uno u otro diseño. Pero todos tienen un mismo punto en común: la entrada y la salida al y desde el circuito de amplificación son analógicas. No es objetivo de este texto explicar como funcionan los amplificadores de cada una de las clases, solo dejar sentada la base para lo que viene a continuación.
Amplificadores digitales
Suele haber bastante confusión al respecto del concepto de amplificador digital. Incluso puede haber quien piense: es imposible que existan, puesto que la señal que mueve los altavoces tiene que ser analógica (y es verdad). También se puede pensar en un amplificador digital como aquel que tiene muchas entradas de audio digital, o el que tiene un DAC. Pero puede darse este caso, y no ser un amplificador digital.
Un amplificador digital, también denominado de Clase D, es un amplificador que se mueve en todo momento en el dominio digital. No tiene porqué tener ningún componente analógico. Y, si tiene entradas analógicas, primero se han de convertir a digitales para poderse amplificar.
Los amplificadores digitales, de clase D, tienen su justificación, por un lado, en la universalidad de dispositivos de audio digitales. Y también en la creciente reducción de tamaño de los mismos (smartphones, reproductores de audio portátiles, auriculares inalámbricos), que demandan unos requisitos de potencia y tamaño que un amplificador analógico no puede satisfacer. En general, estos dispositivos necesitan potencias bajas, un tamaño reducido y una disipación de calor pequeña. Y esto no es posible con los amplificadores convencionales. Aunque también hay amplificadores digitales que entregan potencias muy elevadas.
Como funciona el amplificador digital de Clase D
Los amplificadores digitales convierten primero la señal de entrada en una señal digital con una forma de onda que responde a un tipo de modulación denominado “por ancho de pulsos” (PWM). En este tipo de modulación, el ciclo de trabajo de la señal es el ancho relativo de la parte positiva en función del periodo. Es una forma diferente a codificar la señal a como lo hace PCM (modulación por impulsos codificados) o PDM (modulación por densidad de pulsos). La gran diferencia es que PCM y PDM necesitan pasar por un conversor digital a analógico antes de atacar a los transistores de amplificación, y PWM no.
La forma de onda PWM ataca la etapa de salida del FET (transistor de efecto de campo que amplifica la señal) y la activa y desactiva completamente en contrafase para cada impulso. El paso de corriente a través de los FET y el voltaje en ellos depende de cuando estén activados o desactivados, y la potencia solo se disipa durante las breves transiciones entre encendido y apagado.
Pero esta no es la señal que se aplica directamente al altavoz, sino que a la salida de los transistores se coloca un filtro paso bajo (bobina + condensador) que recupera la forma de onda analógica y la aplica al altavoz.
Si el amplificador Clase D solo dispone de entradas digitales, nos encontramos ante un dispositivo puramente digital, que mantiene la señal siempre en el dominio digital. Pero también podemos encontrarnos con amplificadores Clase D con entradas analógicas, que tienen que incorporar en su circuitería un conversor analógico a digital.
El gráfico representa las señal codificada en PWM, con indicación del ciclo de trabajo en función del ancho del impulso.
Este es el esquema básico de un filtro paso bajo, que reconstituye la señal analógica antes de entregarla a los altavoces.
La salida del amplificador digital se filtra de la forma que indica el esquema antes de atacar a los altavoces
Un esquema simplificado de como funciona el amplificador digital Clase D Texas Instruments TPA3126D2, con los bloques anteriores y posteriores al chip
El TPA3126D2 es un chip que contiene toda la circuitería necesaria para implementar un amplificador digital de Clase D. Es estéreo, y con una potencia de salida de 50W, aunque puede proporcionar 100 W si se configura como amplificador monofónico.
Está especialmente diseñado para consumir muy poco cuando está en reposo, de forma que ahorre batería cuando se implementa en dispositivos portátiles
Hay muchos componentes de audio que incluyen un amplificador digital Clase D en su interior, como este NAD Amp1, un amplificador integrado de Clase D
