Bienvenidos, hoy analizaremos a uno de los integrados más utilizados en el mundo de la electrónica, revisaremos ¿Qué es y cómo funciona el amplificador de audio LM386? Veremos sus características eléctrica y como puedes utilizarlo en tus proyectos para amplificar señales de audio.

El objetivo de este post es que al final, te vayas con el conocimiento necesario de como utilizar este integrado, te invito a revisar mis otros post donde hablamos de amplificadores operacionales y mucho más.

¿Qué es el amplificador LM386?

El integrado LM386 es un amplificador de audio de bajo voltaje, a una potencia de 0.3 a 0.7 watts, según el modelo y. una distorsión de tan solo el 0.2%.

Al LM386 también podemos identificarlo como JRC386, para que no te confundas, si ves ese otro nombre, estamos hablando del mismo integrado.

• No olvides que siempre debes revisar la hoja de datos (datasheet) de cualquier componente electrónico, ya que, en ella encontrarás exactamente las características del componente con el que estas trabajando.

Este amplificador cuenta con soporte para cargas de 4 a 32 Ω, podemos encontrarlo en tres encapsulados diferentes: PDIP, SOIC y VSSOP.

Pines del amplificador LM386

Pines:

1. GAIN
2. -INPUT
3. +INPUT
4. GND
5. Vout
6. Vs
7. BYPASS
8. GAIN

Orígenes: Fabricante del LM386

EL LM386 fue desarrollado por National Semiconductor y lo vimos por primera vez en la década de los 70 del siglo XX.

Se hizo bastante popular debido a sus curva de ganancia/frecuencia, y que, podemos hacerlo funcionar con muy pocos componentes externos conectados a sus terminales.

Su bajo consumo lo hace ideal em mini amplificadores alimentados por baterías principalmente, aunque podemos ver módulos que trabajan con voltajes pequeños o eliminadores, por ejemplo:

Venta de Módulos de amplificación con LM386

Te dejo algunos módulos completamente funcionales que trabajan con base a este integrado.

Características eléctricas del LM386

• Ganancia de tensión ajustable: 20 a 200 (26 a 46 dB).
• Rango de alimentación:
  • 4 a 12 volts
  • 5 a 18 volts
• Según el modelo puede entregar una ganancia de:
  • LM386N-1: 0.3 watts.
  • LM386N-3: 0.5 watts.
  • LM386N-4: 0.7 watts.
• Cuando las entradas se referencian a tierra (masa), la salida del integrado tienen su referencia en automático a la tensión de la fuente.

Creo que será más fácil ver sus características según el modelo de la siguiente manera.

Esquema y arquitectura del LM386

La figura anterior representa el diagrama esquemático interno del LM386, y si somos observadores podemos determinar que este tipo de integrad utiliza un amplificador de potencia con una topología LIN (LIN Topologu).

Topología LIN (LIN Topologu)

Dicha topología sigue la siguiente estructura:

• Etapa de entrada (Input stage)
• Etapa de amplificación de tensión (Voltage amplifier stage).
• Etapa de salida (Output stage).
• Retroalimentación o red de realimentación (Feedback network).

Si analizamos el esquema anterior podemos identificar estas etapas de la siguiente manera:

Etapa de entrada del LM386

En cada una de las entradas -INPUT y +INPUT tenemos dos transistores PNP conectados en colector común, los cuales cumplen una doble función:

• Establecen el punto de operación en DC (corriente directa).
• Y fijan la impedancia de entrada en ambas terminales.

Existen dos resistencias de 50 kΩ cada una, estas resistencias se encargan de:

• Fijar la impedancia de entrada precisamente a 50 kΩ.
• Y Conducen la corriente de base a tierra.

Con todo esto garantizamos que la entrada este acoplada y no afecte la polarización interna del integrado.

Ganancia de tensión

Para analizar la ganancia de tensión nos debemos enfocar en la configuración Long Tailed Pair (LTP) o Differential pair (par diferencial).

El cual se conforma por dos transistores PNP, donde su ganancia se encuentra fija debido a las resistencias de 150 Ω y 1.35 kΩ (la ganancia es igual a 150 Ω + 1.35 kΩ).

No obstante, tenemos los pines 1 y 8 (GAIN 1 y GAIN 8) con los cuales podemos modificar la ganancia en un rango de 20 a 200.

Si no conectamos ninguna señal a la entrada y deseamos calcular la ganancia de tensión, tenemos lo siguiente:

• En un circuito LTP, la caída de tensión de base a emisor es la misma en ambos transistores, por lo tanto:
  • EL voltaje a través de las resistencias 150 Ω y 1.35 kΩ, es el mismo que la diferencia de voltaje a la entrada V_in.
• Por otra parte, los transistores NPN en la parte inferior forman un circuito espejo de corriente, generando una corriente “I” en ambos lados del LTP.

Bajo estas consideraciones podemos reducir el circuito de la siguiente manera:

• Recuerda que no hay señal de entrada.

Ahora, dado que tenemos un circuito espejo de corriente, en R₅ tenemos 2 veces la corriente que circula en dicho circuito (2I) y la corriente que circula por R₁ y R₂ es muy pequeña, así que la despreciamos y la mandamos a cero.

Bajo estas condiciones podemos establecer las siguientes ecuaciones:

• No obstante V_out es mucho más grande que V_in, así que podemos despreciarla de igual manera.

• Ahora, dado que la corriente que circula por R₁ y R₂ es cero, podemos deducir la corriente I de la siguiente manera:

• En este punto ya encontramos cuanto vale I, ahora solo necesitamos sustituir en la primera fórmula para poder tener una ecuación que relacione la señal de entrada con la de salida y obtener la ganancia.

Con la ecuación anterior podemos calcular la ganancia de tensión sin ningún problema, además Z_1-5 y Z_1-8 representan la impedancia entre los pines 1 a 5 y 1 a 8, respectivamente. Ahora si, hagamos un ejemplo:

Valor de la ganancia del LM368 sin ningún componente externo conectado

G_V = ( (2)(15000) / (150 + 1350) ) = 20

• Donde:

20 = 26 dB

Valor de la ganancia de LM368 en corto  o con un condensador.

Si mandamos cortocircuitamos los pines 1 y 8 o conectamos un capacitor, R4 queda inactiva y la podemos ignorar, por lo que, podemos calcular la ganancia de la siguiente manera:

G_V = ( (2)(15000) / (150 ) ) = 200

• Donde:

200 = 46 dB

Y de esta manera es como obtenemos la ganancia natural del integrado cuando no tenemos ninguna señal de entrada.

Etapa de amplificación de la tensión en el LM386

En la etapa de amplificación tenemos un transistor NPN en emisor común, y se encarga de amplificar la señal de entrada a un nivel que pueda ser acoplado a la etapa de salida.

Etapa de salida del LM386

A la salida del amplificador LM386 tenemos un amplificador clase AB:

• Te dejo este post para que aprendas más sobre los amplificadores Clase AB.

Esta clase de amplificador se compone de dos transistores, en este caso un PNP y un NPN, conectados en una configuración push-pull, y se caracterizan por que:

• Cada transistor enciente solo la mitad de cada ciclo.
• Es decir, un transistor amplifica mientras el otro no.
• Este tipo es eficiente y junta las bondades de los amplificadores clase A y B.
• En esta configuración las β de cada transistor se multiplican, dando como resultado

β_total = β₁ * β₂

Compensación de crossover o distorsión de cruce por cero

En el amplificador LM386 tenemos a la salida un amplificador clase AB y este cuenta con una topología push-pull, pero, recordemos que un transistor no conduce hasta que le aplicamos una tensión mayor a la de conducción, típicamente ± 0.7 volts.

Esta característica de los transistores provoca que en cierto tiempo, ambos transistores estén apagados debido a que la señal al cruzar por cero y no tiene el voltaje suficiente para encender dichos transistores.

Para minimizar esta distorsión debemos polarizar a los transistores para que la tensión de conducción se mantenga, lo malo de esto, es que bajamos la eficiencia.

Para ello podemos usar, resistores o como en este caso, se utilizan diodos, donde:

La combinación de diodos tienen como objetivo compensar las variaciones de temperatura y tensión en la base-emisor (V_BE), ambos diodos van conectados al mismo disipador de calor de los transistores.

Retroalimentación del LM386

En la imagen anterior podemos ver una parte sombreada que representa la retroalimentación del LM386, donde si nos enfocamos en DC, podemos deducir lo siguiente:

• Si el voltaje de salida Vout llega a incrementar su valor, también incrementará la corriente que pasa por la resistencia de 15 kΩ.
• Dicha corriente entrará al emisor del transistor PNP del LTP, lo que dará como resultado que en el colector de este transistor también haya un aumento de corriente.
• Si seguimos el camino de la corriente, vemos que el colector del LTP esta conectado a la base del transistor NPN de la etapa de amplificación, por lo tanto, la corriente de colector del LTP provocará un aumento de tensión en la base del transistor de amplificación.
• Sí, en el transistor NPN hay un aumento de la tensión de base, la corriente de colector aumentará y provocará una caída de tensión en la base del transistor PNP del amplificador clase AB.
• La caída de tensión en la base del amplificador AB, forzará que el voltaje de salida disminuye.

En resumen, el objetivo de la retroalimentación es controlar las elevaciones de tensión a la salida del amplificador, si la tensión de salida aumenta, la retroalimentación hará una corrección y forzará una disminución en la tensión de salida.

Respuesta en Frecuencia del integrado LM386

Si observamos la hoja de datos, prácticamente la respuesta en frecuencia es una línea horizontal, es decir, es plana dentro de la región audible, no obstante:

• Puedes conectar una resistencia en serie entre los pines 1 y 5 para modificar la ganancia y la respuesta en frecuencia.

Ejercicio: creando un amplificador de audio con el LM386

Para ello analicemos la configuración que propone la hoja de datos de Texas Instruments.

📌 NOTA: el circuito se obtuvo de la hoja de datos de Texas Instruments, te dejo el link a la hoja de datos al final del post. Amplificadores.info no tiene ningún derecho de autoría respecto al circuito y solo lo utilizamos para ejemplificar el funcionamiento del LM386.

Análisis del circuito ejemplo

En primer lugar recordemos que mediante el pin 1 y 8 podemos modificar la ganancia y respuesta en frecuencia, con tan solo colocar una resistencia en serie con un capacitor.

En nuestro ejemplo tenemos una resistencia de 1.2kΩ, que a su vez esta en paralelo con la resistencia interna de 1.35kΩ, si obtenemos la resistencia equivalente, tenemos:

RE = (1.2)(1.35) / 1.2 + 1.35 = 635.29 ≈ 635 Ω

• Si ahora sustituimos en la formula que vimos anteriormente, tenemos:

G_V = ( (2)(15000) / (150 + 635) ) ≈ 38.2

Aquí pasa algo muy importante, en la hoja de datos nos indica que el circuito es un amplificador con ganancia 50, pero los cálculos nos indica que es de 38.2 aproximadamente, no hay una respuesta clara para esto, lo que implica que en la practica, la resistencia interna puede variar, o simplemente este comportamiento no es lineal.

No obstante, en la practica te recomiendo que lleves a cabo tu calculo y a partir de este valor, a través de un potenciómetro, ajusta el valor a la ganancia que requieras, aunque, también en la practica notarás que tendrás mejores resultados si trabajas con la ganancia mínima: 20.

• El potenciómetro de 10k a la entrada: nos sirve para controlar el volumen aplicando un divisor de tensión, aunque también, ayuda a reducir el ruido y mejora la calidad de sonido.
• El circuito RC conectado del pin 5: R= 10Ω y el capacitor 0.05μF; tienen la función de mejorar la estabilidad del circuito y evitan que el circuito oscile.
• El capacitor de 250μF bloquea la componente DC y evita que esta llegue a la carga.

El circuito lo puedes armar en una protoboard, no obstante, vas a tener mejores resultados en una PCB, trata de crear pistas cortas y acomoda bien tus componentes para minimizar el ruido y se escuche mejor.

Aplicaciones del LM386

El LM386 es un amplificador de audio de baja potencia, así que lo vamos encontrar en dispositivos que por lo regular se alimentan con baterías o requieren una tensión baja, por ejemplo:

• Podríamos hacer un amplificador básico de guitarra.
• Un amplificador en bocinas de computadoras.
• Para bocinas pequeñas de escritorio.
• Etc.

Referencia

• Te dejo la hoja de datos del cual he basado este post: datos.

Excelente, hemos llegado al final, espero te haya sido útil, yo he disfrutado mucho creando este post, ahora solo resta que practiques y hagas pruebas, ya que es la mejor manera de aprender, nos vemos en el siguiente post.