Como é possível fazer amplificador de áudio ruim?

Depois de descobrir como os amplificadores operacionais são ótimos, e que alguns extremamente bons - especialmente em níveis baixos de energia - estão disponíveis a preços razoáveis, pergunto-me por que todos os amplificadores de áudio, grandes ou pequenos, não alcançam um excelente desempenho simplesmente combinando um bom amplificador operacional de sinal pequeno com um estágio de saída simples.

Quero dizer, com o opamp, não há necessidade de se preocupar com todas essas tensões de polarização e estabilidade de temperatura, basta colar o opamp e quaisquer transistores de darlington incomparáveis, e você estará pronto.

Alguma armadilha?

O uso de opamps em amplificadores pode simplificar drasticamente seu design, mas opamps não são perfeitos. Se eles tivessem amplificação infinita em toda a largura de banda, tenderiam a oscilar , sendo compensados ​​internamente, o que limita sua largura de banda. Uma largura de banda limitada torna o amplificador propenso à distorção de intermodulação transitória (TIM), um tipo de distorção muito mais irritante do que a distorção harmônica (HD).

A razão pela qual apenas HD é publicado, e a TIM nunca, é que é muito mais fácil obter números de HD com boa aparência. Quem não ficaria impressionado com uma distorção harmônica de 0,01%? A maioria dos clientes não percebe que esse valor é totalmente irrelevante porque a distorção total do sistema é geralmente determinada pelos alto-falantes, o que facilmente adiciona alguns por cento de distorção.

O estágio do poder também não está isento de problemas. Os amplificadores de classe A são pouco utilizados devido à sua baixa eficiência. Os amplificadores de classe B ou AB têm uma distorção cruzada, na qual um transistor assume o controle do outro. Esta é uma distorção não linear que não pode ser compensada pelo feedback . Pode não ser verdade. Se alguém puder esclarecer aqui, eu adoraria ouvi-lo. .

Uma citação final sobre opamps:

"Não existe um amplificador operacional incondicionalmente estável, a menos que esteja sobre a mesa com a energia desconectada" [ 1 ]

Leitura complementar
[1] Intersil appnote AN9415: Feedback, Amplificadores de operação e compensação

Pergunta interessante - a resposta (bem, minha resposta) é que você pode fazer um ótimo amplificador de áudio dessa maneira. Você ainda teria que prestar atenção ao estágio de saída e ao design geral, mas o uso de opamps não é problema (hoje em dia é muito comum em amplificadores básicos e baratos com bom desempenho).
Embora os opamps sejam ferramentas convenientes e existam excelentes ferramentas modernas disponíveis, certamente ainda existem muitas maneiras de usá-los para obter um resultado ruim se você não prestar atenção aos detalhes.

Isso não significa que as pessoas o comprem, e os designers sabem disso, então você ainda recebe amplificadores "Hi-Fi" baseados em válvulas de ponta que custam> £ 2000 com 2% de THD. Você poderia dizer que a intenção era fazer um amplificador "ruim" aqui, pois (ironicamente) ele ganhará mais dinheiro - infelizmente "ótimo" significa muitas coisas diferentes para muitas pessoas diferentes.
Você tem alguns no campo subjetivista que basicamente decidiram que o ouvido humano é mais preciso do que qualquer ferramenta de medição e pode ouvir coisas que nenhum deles pode ver. Assim, eles sempre podem dizer "Sim, seu THD + n é de fato <0,001% entre 20Hz-20kHz, mas você não está permitindo efeitos incomensuráveis ​​x com seu design, e é por isso que não soa bem para o ouvido"

Se o desejo de perfeição técnica fosse o que importava, coisas como cabos sem oxigênio que custam centenas nunca chegariam ao mercado :-)

Acho que você pode ler o "Small Signal Audio Design", de Douglas Self, e o "Audio Power Amplifier Design Handbook"
. Seus livros discutem o uso de opamps e transistores discretos. Ele avalia os pontos fortes e fracos que incluem muitos dados de testes da vida real e fornece exemplos em que você pode obter melhor desempenho com transistores discretos.

De fato, nos eletrônicos de consumo, é comum que os amplificadores de áudio de baixa e média potência estejam inteiramente em um chip, apelidado de "chip amp".

Uma questão é que a maioria dos amplificadores operacionais baratos que você alude não possui um balanço de tensão suficientemente amplo para conduzir um estágio de saída que, por si só, não possui ganho de tensão. Se um amplificador operacional opera em +/- 15V máx, e colocamos um estágio de potência depois disso, o balanço de saída ainda é limitado a +/- 15V. Existem amplificadores operacionais que funcionam com tensões significativamente mais altas, mas ficam caros.

A adição de mais ganho de tensão após o amplificador operacional, de modo que o ganho seja incluído no loop de feedback global, é arriscada e anula parte do benefício de economia de espaço e custo, já que há mais complexidade expressa em componentes discretos do que apenas um estágio de saída.

No entanto, isso de fato é feito algumas vezes. Por exemplo, dê uma olhada no amplificador de guitarra Marshall 8008 montado em rack. Um amplificador operacional aciona um estágio de amplificação de tensão adicional, seguido por um estágio de saída. O VAS é interessante: usa um par de transistores complementares em base comum, com bases ligadas aos trilhos de +/- 15V, respectivamente. O feedback é obtido diretamente do estágio de saída, para que o ganho extra seja incluído no loop de feedback. Embora o amplificador operacional seja compensado internamente, esse SVA parafusado possui sua própria compensação na forma de C15 e C17. O ganho de circuito aberto completo do amplificador operacional não é usado, pois ele possui um feedback local via R3, e o R45 também parece desempenhar um papel no fornecimento de um caminho de feedback mais local dentro do global.

Em resumo, se o balanço da tensão de saída estiver dentro da faixa de um amplificador operacional típico (ou mesmo além), não há vantagem em usar um amplificador operacional, pois você pode usar um amplificador de chip como um LM3886. No entanto, o uso de amplificadores operacionais como ponto de soma de feedback, com um estágio de saída discreto, não é algo inédito.

Há também os requisitos de acionamento do estágio de saída. Um amplificador classificado para 100 watts de potência média de saída em uma carga de 8 ohms, usando um estágio de saída padrão seguidor de emissor, exigirá um balanço de cerca de +/- 40 volts pico a pico do estágio do driver. Os opamps que podem emitir essas voltagens 'altas' são significativamente mais caros que os amplificadores operacionais comuns de áudio. Além disso, ainda existe a questão de influenciar corretamente a saída e garantir que a polarização seja estável à temperatura; usar um opamp como o driver não resolve magicamente esse problema.

Existem maneiras de usar transistores discretos nos estágios do driver e de saída, juntamente com o circuito de polarização associado, e usar um opamp como driver, como os aplicativos observados aqui. No entanto, esses circuitos parecem ser principalmente para aplicações de alta velocidade e que vantagem podem ter para o áudio hi-fi (onde o objetivo declarado é geralmente ter o menor número possível de estágios de ganho e torná-los o mais linear possível antes ao feedback aplicado) não é claro.