Tema 5 - Sistemas de amplificación y de escucha

AMPLIFICADOR
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PARTES
PREAMPLIFICADOR
DRIVER
ETAPA DE POTENCIA
FUENTE DE ALIMENTACIÓN
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
El cometido del amplificador de potencia es el de elevar la
tensión, y convertir los niveles de entrada de micrófono y de
línea, que oscilan entre milivoltios y unos pocos voltios, en
tensiones de decenas de voltios.
La estructura global de un amplificador integrado consta
de cuatro etapas o fases:
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
1. Preamplificador o previo - Recoge la señal de la fuente y
adapta su impedancia de salida con la impedancia de entrada
del amplificador, para conseguir la máxima transferencia de
tensión. Este voltaje puede regularse con un potenciómetro de
ganancia (control de entrada).
Permite elegir la fuente y adaptar la sensibilidad de entrada para
proporcionar la señal en óptimas condiciones (selector de fuente
y control de tonos). Cada fuente de sonido requiere un previo
específico: PHONO (tocadiscos), TAPE (reproductor de casete),
CD, AUX (equipos auxiliares) o MIC (micrófono).
2. Driver o excitador - Es un amplificador de tensión, que eleva
el voltaje de la señal recibida del preamplificador, y la entrega
a la etapa de potencia.
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PREAMPLIFICADOR
Control de tonos
Control de micros
Interruptor
Control
de nivel
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Preamplificador
para alta fidelidad
Preamplificador
para Public Address
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Preamplificador para
Public Address
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
3. Etapa de potencia o de salida - Por su importancia, da nombre
a todo el conjunto. La etapa es la encargada de dotar de
potencia a la señal.
Su corazón lo constituye un componente activo rodeado de un
disipador de calor.
Los componentes activos más utilizados son la válvula y el
transistor de efecto de campo (MOSFET).Como componentes
activos, ambos necesitan alimentación.
La señal que recibe la etapa tiene mucho voltaje, pero muy
poca intensidad. La etapa proporciona varios amperios de
intensidad de corriente eléctrica a la señal, pero apenas
aumenta el voltaje que traía del driver.
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ETAPA DE POTENCIA
Una diferencia importante entre la válvula y el transistor está
en la forma de recortar la señal. Conforme la válvula se
acerca al máximo de amplificación, su capacidad de reacción
va disminuyendo suavemente. Sin embargo, el transistor
produce un recorte drástico con armónicos aleatorios.
AMPLIFICADOR
A VÁLVULAS
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ETAPA DE POTENCIA
DOS ETAPAS DE POTENCIA A TRANSISTORES CON
SUS RESPECTIVOS DRIVERS
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ETAPA DE POTENCIA
Disipador de calor
Transistor de potencia
Terminal negativo
Terminales de volumen que
vienen de un previo aparte
Terminal positivo
Terminales de agudos y bajos
que vienen de un previo aparte
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
4. Fuente de alimentación - Adapta la corriente de la red eléctrica
general para que pueda ser usada por las distintas partes del
amplificador.
Se compone de un transformador, que reduce el voltaje, y un
rectificador de corriente, que la convierte de alterna a continua.
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
5. Protecciones - Puede ser desde el típico fusible hasta
dispositivos activos de control de potencia.
Protección electrónica frente al cortocircuito y el circuito
abierto.
Protección térmica con disipador de calor para el transistor de
salida.
Protección contra tensión continua.
Protección contra sobrecarga.
Protección contra transitorio de encendido.
Además, suelen incorporar una luz de aviso de protección
activada y otra de clipping, que se enciende en los picos de señal
cuando la etapa de potencia está empezando a saturarse y corre
peligro de avería o de que salte alguna protección.
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
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PARTES DEL AMPLIFICADOR INTEGRADO
Control de entrada
Control de tonos
Driver
Etapa de potencia:
Módulos de
Transistores y
preamplificación disipador de calor
Fuente de
alimentación
Transformador de salida
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TIPOS
AMPLIFICADOR INTEGRADO
ETAPA DE POTENCIA
AMPLIFICADOR
MONOAURAL
ESTÉREO
MULTICANAL
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AMPLIFICADOR INTEGRADO Y ETAPA DE POTENCIA
A diferencia de los amplificadores integrados de los equipos
domésticos y de megafonía, en sonido profesional se utilizan
etapas de potencia solas, que carecen de ciertos elementos, como
el preamplificador (control de entrada, selector de previos y control
de tonos), puesto que la señal ya ha pasado por los previos de la
mesa de mezclas.
La típica etapa de potencia tiene una fuente de alimentación, el
driver, una tecla de encendido, un control de nivel y algún
dispositivo que indique el estado de trabajo instantáneo (leds o
medidores de aguja).
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VU Meter
Control
de nivel
Indicadores
de clipping
Interruptor
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AMPLIFICADOR MONOAURAL Y ESTÉREO
El amplificador monoaural consta de una sola etapa de potencia, y
es típico en instalaciones de megafonía Public Address (PA).
El amplificador estéreo, tan común en equipos domésticos de alta
fidelidad, tiene que duplicar la entrada, el driver y la etapa de
potencia, compartiendo la fuente de alimentación.
El inconveniente del amplificador estéreo está en que si falla éste,
nos quedamos sin los dos canales. Por eso, en aplicaciones estéreo
de sonido profesional, se puede separar cada canal mediante dos
etapas monoaurales independientes.
También encontramos amplificadores para sistemas estéreo
multicanal o de sonido envolvente (surround sound).
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AMPLIFICADOR MONOAURAL
22
AMPLIFICADOR MONOAURAL
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AMPLIFICADOR ESTÉREO
Los equipos de alta fidelidad de ámbito doméstico trabajan
con amplificación estéreo, es decir, con dos etapas de potencia.
En este caso, cada altavoz se conecta en paralelo a un
amplificador. Como cada etapa del amplificador se conecta en
paralelo por separado a su altavoz, aunque falle la conexión de
un altavoz, el otro sigue funcionando.
En este caso, sólo hemos de preocuparnos de que la
impedancia de entrada del altavoz coincida con la que marca el
amplificador, que suele ser de 3, 4, 6, 8, 10, 12 ó 16 ohmios.
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AMPLIFICADOR ESTÉREO
Impedancia de entrada de los altavoces
de 6 ohmios como mínimo
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AMPLIFICADOR MULTICANAL
El amplificador tiene 6 etapas
de potencia y comparte la
fuente de alimentación
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CARACTERÍSTICAS
POTENCIA DE SALIDA
SENSIBILIDAD DE ENTRADA
RESPUESTA EN FRECUENCIA
IMPEDANCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA
FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
RELACIÓN SEÑAL / RUIDO
DISTORSIÓN
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POTENCIA DE SALIDA
La potencia nominal, coloquialmente llamada RMS, se refiere a la
máxima potencia media continua que puede proporcionar el
amplificador sobre una determinada carga (normalmente 8 ohmios).
En el caso de amplificadores estéreo, se toman los dos canales
alimentados.
Por ejemplo, una potencia de 200 vatios sobre una carga de 8
ohmios significa que el amplificador puede entregar 40 voltios sobre
esta carga. Calcúlalo y averigua también la corriente que circulará.
V2
V2
P=
⇒ 200 =
⇒ V 2 = 1600 ⇒ V = 40 voltios
8
Z
40
V
I= ⇒I=
⇒ I = 5 amperios
Z
8
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POTENCIA DE SALIDA
Si la carga se reduce a 4 ohmios, es decir, que el
amplificador excita la mitad de impedancia, teóricamente
debería doblar su potencia nominal de salida. Calcúlalo.
V2
402
P=
⇒P=
⇒ P = 400 W
Z
4
Sin embargo, en la práctica, nunca se alcanza el doble de
potencia nominal. Además, 4 ohmios es un castigo para el
amplificador, y todavía lo es más 2 ohmios, aunque pueda
producir picos de 800 vatios.
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POTENCIA DE SALIDA
Además, una potencia de 400 vatios sólo representa 3 dB
SPL que una de 200 vatios. Subjetivamente, se necesita 10
veces más potencia, es decir, 2000 vatios, para que nuestro
oído perciba el doble de sonoridad.
La potencia nominal de salida RMS (Root Mean Square)
define la potencia continua entregada por el amplificador sin
causar distorsión.
La potencia musical o de pico PMPO (Peak Music Power
Output) hace referencia a la máxima potencia que puede
entregar el amplificador en cortos instantes de tiempo.
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO ESTÉREO
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
Si queremos utilizar las dos etapas de un amplificador
estéreo como un solo canal monoaural más potente,
debemos colocarlo en modo puente (en inglés, bridged).
Este modo consiste en enviar la señal a uno de los canales
de entrada y utilizar las dos etapas de salida del
amplificador.
Mediante un conmutador, activaremos el modo puente, que
invertirá la polaridad de una de las salidas. Por último,
conectaremos los dos terminales positivos de salida de
ambos canales a la caja de altavoces.
Para controlar el nuevo canal monoaural, utilizaremos el
potenciómetro de uno de los dos canales, quedando el otro
anulado.
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POTENCIA DE SALIDA
EN MODO PUENTE
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
Un amplificador en modo puente ve una impedancia que es la
mitad que la impedancia del altavoz. Es decir, que si el altavoz es
de 8 ohmios, el amplificador verá 4 ohmios. El amplificador
intentará entregar entre tres y cuatro veces más potencia que en
modo estéreo por canal, por lo que se requiere que la impedancia
mínima del amplificador en modo puente sea el doble que la del
modo estéreo.
Por ejemplo, un amplificador de 1000 W por canal a 8 ohmios, si
lo conectamos a una única carga de 8 ohmios en modo puente,
intentará entregar entre 3000 y 4000 W de potencia, rompiendo el
amplificador. Por eso, el fabricante especificará que se utilice una
carga de 16 ohmios en modo puente.
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
En esta etapa de potencia, se utiliza el potenciómetro del canal
izquierdo para regular el volumen en modo puente.
CONMUTADOR PARA MODO PUENTE
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
8 ohmios
8 ohmios
16 ohmios
Terminales positivos utilizados en modo puente
Se requiere que la impedancia mínima del amplificador
en modo puente sea el doble que la del modo estéreo
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
ETAPA DE POTENCIA SAMSON S1000
4-8 ohmios
4-8 ohmios
8-16 ohmios
TERMINALES POSITIVOS UTILIZADOS EN MODO PUENTE
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
ETAPA DE POTENCIA T.AMP PROLINE 2700
TERMINAL SPEAKON UTILIZADO PARA EL MODO PUENTE
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PUENTE
En modo puente, el
amplificador entrega 700 W
de potencia, correspondiente
a la suma de potencias de
los dos canales, pero con
una carga de 8 ohmios, y no
de 4 ohmios.
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POTENCIA DE SALIDA EN MODO PARALELO
Al colocar un amplificador estéreo en modo paralelo, sólo
utilizamos un canal de entrada, pero enviamos su señal tanto
a la salida de la etapa derecha como a la de la izquierda.
De esta manera, conseguimos una salida dual mono.
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RESPUESTA EN FRECUENCIA
Indica los límites dentro de los cuales el amplificador responde
de igual forma a todas las frecuencias cuando entrega una
potencia de 1 vatio sobre 8 ohmios.
Por ejemplo, una respuesta de 20 Hz a 20 kHz ± 0,5 dB es
prácticamente plana en todo el espectro audible.
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SENSIBILIDAD DE ENTRADA
La sensibilidad del amplificador indica cuánto voltaje
de entrada se necesita para producir toda la potencia nominal
de salida.
Así, una sensibilidad de entrada de 0 dBu (775 mV) con
un amplificador de 150 vatios sobre 8 ohmios, significa que
un voltaje de entrada de 775 mV hará que el amplificador
produzca 150 vatios al conectarle un altavoz de 8 ohmios.
Si el equipo que excita el amplificador entrega un voltaje
mayor, sobrecargará el amplificador, produciendo recortes y
distorsión por sobremodulación en la salida. Por ejemplo, si
entregamos 2 voltios a una entrada de 0 dBu (775 mV),
calcula cuántos dBu marcará el indicador del nivel de entrada.
2
20 ⋅ log10
⇒ 8,2 dBu
0,775
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IMPEDANCIA DE ENTRADA Y DE SALIDA
La impedancia de entrada del amplificador debe ser
mucho mayor que la impedancia de salida de la fuente
que le conectemos, para que se produzca la máxima
transferencia de tensión.
Oscila entre los 1000 Ω (para micrófonos de baja
impedancia) y los 200.000 Ω (para fuentes auxiliares, con
niveles de línea).
La impedancia de salida que especifica el fabricante
corresponde a la mínima impedancia que debe tener la
carga (altavoz) para que el amplificador entregue toda su
potencia nominal.
Oscila entre 4 y 16 ohmios.
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Sin embargo, hay que saber que la impedancia de salida
del amplificador no es la que marca el fabricante para la
carga, sino mucho menor. El amplificador ideal debería
tener 0 ohmios de impedancia de salida.
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
El factor de amortiguamiento, también llamado damping factor, se
relaciona con la capacidad del amplificador de controlar el altavoz
de bajas frecuencias, ya que para mover un cono de graves, hace
falta mucha tensión.
Si el amplificador tiene a su salida un valor de damping bajo, el
altavoz de graves seguirá moviéndose por inercia después de haber
cesado la señal.
En cuanto a pérdidas de potencia, el factor de amortiguamiento
afecta a todas las frecuencias.
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
El factor de amortiguamiento se define como la relación entre la
impedancia nominal del altavoz (impedancia de la carga) y la
impedancia interna de salida del amplificador.
Factor de amortiguamiento =
Impedancia nominal del altavoz
Impedancia interna del amplificador
Los fabricantes suelen dar el damping factor para una carga de 8
ohmios a 1 kHz. Se recomienda un factor mínimo de 50, aunque
los amplificadores exhiben entre 200 y 600. Así, un factor de 200
para una carga de 8 ohmios, significa que la salida de la etapa
consume 1/200 de la potencia total, o sea, que de cada 200
vatios, un vatio se consume en la salida. Conociendo estos
valores, se puede calcular que la impedancia interna de salida del
amplificador a 1 kHz es de 8 / 200 = 0,04 ohmios.
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
Una impedancia interna de salida muy baja, que cortocircuite
virtualmente los terminales del altavoz, aumentará el factor de
amortiguamiento. Por eso, la impedancia interna del amplificador
no debería superar los 0,1 ohmios, correspondientes a un factor
de 80 para un altavoz de 8 ohmios.
Por otra parte, cuanto menor sea la impedancia del altavoz, peor
será el factor de amortiguamiento.
En el ejemplo anterior, un factor de 200 para una carga de 8
ohmios pasa a 100 para 4 ohmios.
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
EJERCICIO 1
Calcula la impedancia interna de un amplificador, sabiendo que
tiene un factor de amortiguamiento de 400 sobre 8 ohmios.
400 =
8
Impedancia interna del amplificador
Impedancia interna del amplificador =
8
= 0,02 ohmios
400
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
La medida teórica que realiza el fabricante no incluye la
impedancia que añade el cable. Como entre el altavoz y la
salida de la etapa hay cable, la impedancia de éste ha de
añadirse a la impedancia interna de la etapa para obtener el
nuevo valor del factor de amortiguamiento.
FA total =
Impedancia nominal del altavoz
Impedancia interna del amplificador + Impedancia del cable
Un cable malo opone una alta resistencia, que se multiplica por
los metros de cable, haciendo que disminuya el factor de
amortiguamiento, y que a la carga le llegue menos potencia.
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50
51
En el mercado, se utilizan cifras redondeadas:
•
•
•
El calibre del cable AWG 16 equivale a 1,5 mm2.
El AWG 14 corresponde a una sección de 2 mm2.
El AWG 13 corresponde a una sección de 2,5 mm2.
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
EJERCICIO 2
Partiendo del EJERCICIO 1, calcula el factor de amortiguamiento
total, si conectamos el altavoz de 8 ohmios con 20 metros de
cable del calibre 14 (2,08 mm2).
FA total =
8
⇒ FA total = 22,86
0,02 + 0,33
Para instalaciones de calidad, el FA resultante no debería
bajar de 25-50.
53
De hecho, para 20 metros, deberíamos haber utilizado un
cable del calibre 12.
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FACTOR DE AMORTIGUAMIENTO
Ahora, el factor de amortiguamiento es aproximadamente de 23,
lo que significa que la salida de la etapa y el cable consumen
1/23 de la potencia total.
Sabiendo que de cada 23 partes de potencia, una se consume
antes de llegar a la carga, calcula cuánta potencia le llegará al
altavoz en este caso si la etapa le ataca con 50 vatios.
1
de 50 W = 2,17 W
23
50-2 ,17 = 47,83 W
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RELACIÓN SEÑAL / RUIDO
Es una medida del ruido residual de salida. Se expresa como
el logaritmo del cociente entre el máximo voltaje de salida y el
ruido de fondo. Se indica en dB.
S
Relación S/R = 20 ⋅ log10
R
Es conveniente que esté por encima de los 100 dB.
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RELACIÓN SEÑAL / RUIDO
Calcula la relación señal ruido de un amplificador, sabiendo que
el voltaje de la señal de salida es 500.000 veces mayor que el
voltaje del ruido.
Relación S/R = 20 ⋅ log10 500.000
Relación S/R = 20 ⋅ 5,7 = 114 dB
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DISTORSIÓN
Es la aparición de una señal en el sonido que no existía
en la entrada.
Distorsión armónica total (THD) - Es la suma de las contribuciones
de todas las frecuencias, múltiplos de la fundamental o de los
armónicos de la señal de entrada, generados a la salida del
amplificador. Se expresa como un porcentaje de la señal de
salida, y no debería sobrepasar el 0,1% en toda la banda audible.
Distorsión por intermodulación - Se origina cuando dos o más
señales llegan simultáneamente e interfieren para formar una
combinación de frecuencias iguales a la suma o resta de las
fundamentales y armónicos de las señales de entrada.
Distorsión por sobremodulación - Se origina cuando el
amplificador recibe un nivel de entrada mayor que el que puede
controlar, produciendo recortes.
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DISTORSIÓN
Distorsión por tiempo de respuesta a transitorios - El slew
rate, o velocidad de respuesta, indica la rapidez con la que la
etapa puede variar la tensión a la salida. Las unidades de
esta medida son voltios por unidad de tiempo (V/s), que se
suele expresar en V/µs (voltios por microsegundo). Esta
medida nos dice cuántos voltios puede aumentar la tensión
de salida en un microsegundo. Se recomienda un slew rate
mínimo de 30 voltios por microsegundo en etapas de más de
200 vatios.
Cuando el equipo tiene un slew rate insuficiente y no puede
seguir las variaciones grandes de señal, se produce el efecto
de triangulación, es decir, deformaciones y distorsiones en la
señal, sobre todo trabajando a alta potencia, ya que es ahí
donde se le exigen grandes variaciones de la tensión de
salida..
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DISTORSIÓN
En la figura, se muestra en amarillo la forma de onda que debería
presentar el amplificador de potencia a la salida. En rojo, vemos la
forma de onda que muestra al estar limitado el valor del slew rate y
no poder seguir esa onda. El problema se hace más palpable en las
grandes excursiones de tensión (al principio de la forma de onda).
El amplificador eleva la tensión de salida lo más rápido que puede
(20 V/µs), pero no es suficiente para seguir la forma de onda. En el
caso extremo, describe una forma de onda triangular.
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