El mejor transistor para un amplificador de audio

Question

Este trimestre, diseñaremos un amplificador de audio. Hasta ahora, en nuestras clases, seguimos con los BJT y, por lo que he oído, los FET sólo se tratarán en parte, a diferencia de los BJT. De todos modos, me gustaría tener una idea antes para poder planificar qué transistor utilizar para la mejor amplificación de audio. He leído en algunos hilos que el otro transistor (BJT/FET) es mejor, pero en otros foros se dice que el rendimiento no depende del componente, sino de cómo se polariza el transistor y cómo se diseña el circuito adecuadamente.

Al diseñar un amplificador de audio, ¿cuál de los cuatro subtipos de transistores es el más eficiente? (NPN/PNP/JFET/MOSFET)

Por cierto, el requisito de mi profesor es justamente este: impresionarme. Ahora mismo mi grupo no ha decidido aún los detalles del circuito (potencia, impedancia, etc.).

Answer 1

Podrías construir con éxito un amplificador de audio con muchos tipos diferentes de BJT. Será el circuito, no el transistor, lo que haga que el amplificador funcione bien. Yo elegiría piezas de gelatina como el 2N4401 (NPN) y el 2N4403 (PNP) y me quedaría con ellos para todo excepto para los transistores de salida de potencia final. Hay muchas piezas que pueden desempeñar ese papel. Si tienes tus propios transistores de señal pequeños favoritos, úsalos si lo prefieres. Los que mencioné tienen una ganancia razonable y pueden manejar hasta 40 V, lo que debería ser lo suficientemente bueno para permitir un amplificador con el que impresionar a tu profesor.

Hay muchos transistores de potencia posibles para utilizar como salida final. Si su objetivo es conseguir unos pocos vatios, probablemente utilizaría piezas básicas como el TIP41 (NPN) y el TIP42 (PNP).

Sin embargo, no es la elección del transistor lo que hará que este proyecto sea un éxito. Ciertamente puedes crear un amplificador de audio impresionante con los transistores que menciono, pero también puedes hacer un desastre. Realmente depende del diseño. En audio, el ruido general y la distorsión armónica son prioridades importantes. Eso viene de un diseño cuidadoso del circuito y de la atención a estos parámetros en cada paso del camino.

También puedes utilizar otros tipos de transistores, como los JFET o los MOSFET. Estos requerirían una topología de circuito diferente para utilizarlos correctamente, pero también pueden utilizarse para hacer un buen amplificador. Ya que vas a repasar los detalles de los BJT más a fondo, yo me quedaría con ellos por ahora. Esto será un gran ejercicio de aprendizaje. Diseñar un amplificador con muy bajo ruido y muy baja distorsión no es trivial.

Answer 2

Probablemente harás una etapa de salida de potencia más efectiva usando BJTs para el mismo número de componentes en comparación con los MOSFETs. Utilizo la palabra eficaz para referirme a que su tensión de salida oscilará más alta/mayor para la misma fuente de alimentación con BJTs utilizados en un simple circuito push-pull. Esto se debe a que, para encender un BJT, sólo se necesitan entre 0,6 y 0,7 V, mientras que para conseguir que un MOSFET suministre varios cientos de miliamperios puede ser necesario alimentar su puerta con 3 ó 4 voltios.

De nuevo, se trata de una simple etapa de salida de clase AB de tipo emisor-seguidor en contrafase. Sólo puede conducir los transistores de salida con una señal que se limita a los carriles de alimentación y si esto es (digamos) 24V dc - usted debe ser capaz de conducir una señal que es 22Vp-p a los transistores de potencia. Teniendo en cuenta que cada BJT "pierde" 0,7 voltios (debido a la unión base-emisor), la tensión máxima de salida será de unos 20,6 voltios pico a pico. Si utilizara mosfets, sería más bien de 14 voltios pico a pico con una carga decente.

Mi respuesta es un poco ambigua, pero haz los deberes sobre los mosfets conectados como seguidores de la fuente y escoge uno con el Vgs (umbral) más pequeño y examina la hoja de datos para ver cuánto voltaje de accionamiento de la puerta se necesita para que fluyan unos cientos de miliamperios a través de él.

Hay diseños más complejos que son bastante difíciles de hacer funcionar en los que los transistores de salida están conectados al colector o al drenaje pero, para un principiante, yo me mantendría alejado de ellos porque serán inestables si no se diseñan con cuidado y, requieren más silicio para que funcionen eficazmente.

Así que, dado que no has especificado la potencia de salida, la carga del altavoz o los raíles de tensión, diría que una etapa de salida de potencia BJT es probablemente la mejor opción. En cuanto a los demás transistores, me quedo con los BJT, que se han utilizado en decenas de miles de buenos diseños comerciales. Por supuesto, podría considerar una etapa de salida de clase A utilizando un transformador de salida; probablemente valga la pena considerarlo, pero la desventaja es la pérdida de eficiencia debida a la polarización final del transistor.

Acabo de buscar una etapa de salida bastante sencilla que muestre la disposición de polarización que probablemente necesitarás para un amplificador decente y he encontrado esta: -

Procede de este sitio. Lo recomiendo porque parece tener una especificación decente y el sitio también recomienda una versión recortada sin los diodos / sesgo. Personalmente creo que sería un buen comienzo para un principiante. El sitio discute varias cosas sobre lo que se necesita para hacer una buena etapa de salida.

Puedes tomar el diseño básico y añadirle ganancia y cambiar el op-amp por transistores individuales si investigas un poco más.

Answer 3

Esta es una respuesta un poco tardía, pero espero que pueda ayudar a alguien que se pregunte lo mismo.

Yo prefiero los BJT, pero los MOSFET son súper fáciles de usar y pueden superar a los BJT en términos de fidelidad. Ambos pueden dar excelentes resultados, sólo tienes que utilizar el que prefieras. Los MOSFETs generalmente pueden manejar voltajes de alimentación más altos (Vds máximo más alto). Así que diseña con lo que te sientas más cómodo (en cuanto a cálculos) y si te sientes igual de cómodo con ambos, utiliza random.org.

Para añadir a lo que ha dicho Andy aka, que sepas que necesitarás un diseño muy complejo para conseguir 0,7V bajo cada raíl como swing de salida. Esto se debe a que la etapa de amplificación de un amplificador BJT también necesita la señal para conducirla, que normalmente reduce el voltaje de uno de los carriles en aproximadamente un 10% (no me cites en ese número, es sólo una regla general que utilizo). Y no creo que un amplificador op-amp impresione a un profesor. Al menos donde yo estudié habría suspendido rotundamente si hubiera utilizado un op-amp. Y además, lo máximo que se puede obtener de uno (con una etapa de driver cuidadosamente diseñada) es 18 W a 8 ohmios - esto usando un NE5532 si no recuerdo mal. En general, con un amplificador óptico sólo se obtienen entre 10 y 15 W. En primer lugar, el diseño de un amplificador óptico requiere 5 minutos y, en segundo lugar, la potencia es pésima.

Además, utilizar dos diodos para polarizar una etapa de salida BJT no es la mejor idea, a menos que los diodos y los transistores coincidan perfectamente y se conecten térmicamente los diodos y los transistores de salida. Los amplificadores BJT son muy susceptibles al desbordamiento térmico. En la práctica, es probable que acabes con una corriente de polarización muy alta si utilizas diodos de señal normales. Usa diodos rectificadores si vas a usar diodos - 1N4001.

Answer 4

Defina "rendimiento". ¿Por qué te interesa la "eficiencia"? Los transistores se utilizan en los amplificadores de audio de diferentes maneras. Hay circuitos discretos de clase A que se sobrealimentan bien, como el infame preamplificador de micrófono de la consola Neve. Sobre el papel, los diseños de amplificadores operacionales tendrán el mejor rendimiento (en realidad, si se ponen transistores separados delante de un amplificador operacional convencional, probablemente se llegará al límite teórico del rendimiento). Pero en general tienes transistores de entrada, transistores de ganancia y transistores de salida.

Los transistores de entrada deben ser de bajo ruido. Los BJT tienden a ser menos ruidosos si la impedancia de la fuente es la correcta (en el caso de los amplificadores operacionales, puedes consultar la hoja de datos para ver el ruido de tensión/ruido de corriente, que en el caso del NE5534A a 30 Hz es de ~5,5/0,0015 = 3k7). Los JFET tienen un ruido de corriente muy bajo, por lo que tienden a tener un mejor rendimiento de ruido con entradas de alta Z.

Los transistores de ganancia deben ser de bajo ruido y alta ganancia. No estoy seguro de lo que hace un buen transistor de salida. Tal vez el ancho de banda o las características térmicas.

Answer 5

El amplificador viene en tres etapas, pero si lo que necesitas es impresionar a tu profesor,

Opte por las salidas MOSFET. La claridad del sonido es mejor que la de los BJT. También puede encontrar

que algunos son a prueba de cortocircuitos de salida, pero no por mucho tiempo.