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Introducción

Un control de volumen no re-quiere mayores explicaciones so-bre su uso. Adecuar el nivel sono-ro a las características del am-biente y el gusto personal de cadausuario. Observe que no decimosal tipo de baffle que tiene conecta-do el amplificador, porque no escon el control de volumen comose limita la potencia de un amplifi-cador.

El amplificador debe ser ade-cuado al baffle, no debe entregarmás potencia que la que el bafflepuede recibir, porque si limitamosla potencia por el control de volu-men, un pico inesperado en lafuente de programa puede que-mar un parlante en pocos instan-tes. En nuestro caso el amplifica-dor digital admite la fuente de po-tencia que Ud. desee así que la li-mitación depende de la tensión defuente y de nada más.

El nivel del volumen del ampli-ficador debe ser tal que el amplifi-cador pueda saturar y tener dispo-

nible un 10 a 20% más de señalque es el máximo de distorsiónque el oído puede llegar escuchar,sin mayores molestias. Luego to-das las fuentes de programa de-ben estar debidamente compen-sadas en su propia entrada, paraque no existan diferencias al pa-sar de una fuente a otra.

El oído humano es fisiológica-mente un sensor que responde enforma logarítmica, por lo tanto elpotenciómetro que ajusta el niveldebe ser adecuado; es decir quela ley de variación de la resisten-cia debe ser logarítmica para quela potencia recibida por el oído va-ríe linealmente con el ángulo degiro del potenciómetro y, por su-puesto, todas las etapas involu-cradas hasta aquí deben ser do-bles si estamos construyendo unamplificador estereofónico.

El control de tono respondetambién al gusto del usuario perotambién debe compensar caracte-rísticas del equipo. Cada tipo deseñal debería requerir un ajustedel tono específico. Por ejemplo

no es lo mismo escuchar un co-mentario hablado de un programade noticias, en donde lo más im-portante es la inteligibilidad queun concierto, una marcha o unacumbia.

Cuando se trate de locuciones,la banda de audio debe estar limi-tada en bajos para evitar el sonidoa tonel y en agudos para evitar loschillidos espurios, porque la vozhumana no sobrepasa los 8kHz;todo lo demás es ruido. Podría-mos decir que la curva de res-puesta debe ser plana con cortede bajos y agudos.

Cuando se escuche un con-cierto también se requiere unacurva plana pero debe tener larespuesta extendida desde la fre-cuencia más baja posible, hasta lamás alta posible.

La extensión en bajos no debeincluir la frecuencia de resonanciadel baffle porque entonces se re-forzarían los instrumentos como elcontrabajo y la tuba, provocandodistorsiones en las frecuenciasmedias y agudas.

Un amplificador no está completo sin un control de

tono y medidor de salida. Existen muchas variantes al

respecto desde modestos controles de agudos hasta

los controles de tono por octavas o los Vaxandal.

Como siempre, vamos a realizar un diseño práctico

pero con suficientes explicaciones para que el lector

pueda adaptarlo a sus necesidades.

AUTOR: ING. ALBERTO H. PICERNO

picernoa@ar.inter.net picernoa@fullzero.com.ar

www.picerno.com.ar

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Cuando se escucha músicaorquestal moderna se pueden re-forzar los bajos más allá de la fre-cuencia de resonancia del baffle,porque no tiene mayor importan-cia la distorsión de medios y agu-dos que ya suelen estar distorsio-nados en la grabación. Y lo quese busca no es realismo sinoefectismo. Muchos bajos y mu-chos agudos. La curva de res-puesta no debe ser plana sinoque debe tener forma de palan-gana con refuerzo de bajos yagudos controlables por separa-do para poder ajustar su magni-tud independientemente y ade-cuarlo a las características delbaffle (por ejemplo con o sin twi-ter).

En general se debe recordaruna regla de oro cuando se tratade reproducción sin distorsión.No le dé al sistema más respues-ta que la que necesita, porquesólo va a agregar ruido y distor-sión. En cambio cuando la músi-ca a reproducir ya tenga instru-mentos electrónicos con distor-sionadores haga lo que resultemás agradable para su combina-ción de gusto personal baffle yamplificador.

Preamplificadores

con Operacionales

Vamos a hablar un poco deldiseño de preamplificadores conoperacionales, dado su carácterdidáctico; y vamos a dar lasecuaciones generales de proyec-to, sobre todo el uso del diseñoautomático por Multisim que estan práctico.

Diseñar un preamplificadorcon un Multisim es la tarea mássimple que se pueda encarar. Só-lo debe tener en cuenta que losoperacionales no tienen la carac-terística de respuesta en agudosmás adecuada y entonces el cir-cuito externo debe compensarlos

adecuadamente. El Multisim le dael circuito sin compensar, de Ud.depende modificarlo luego demedir su respuesta en frecuen-cia. El diseño es para un amplifi-cador operacional genérico asíque luego deberá colocar el ope-racional que Ud. elija y realizar lacompensación sobre él.

Lo primero que debe tener encuenta en un preamplificador escuál debe ser su ganancia. Por logeneral, los amplificadores estándiseñados para una tensión deentrada de 1V y lo aconsejableen un preamplificador es quepueda trabajar con señales de100mV. Saque la cuenta Vs/Vecon Vs como tensión de salida de1V y Ve como tensión de entradade 100mV. Entonces 1V/0,1V =10 y ésa debe ser la ganancia denuestro preamplificador. En cuan-to a impedancia de entrada delmismo no hay grandes requeri-mientos; con 5.000 Ohm es sufi-ciente. Más impedancia puedetraer consecuencias funestas pa-ra la captación de zumbido yotros ruidos.

¿Se puede diseñar un pream -

plificador con fuente positiva so -

lamente?

Por supuesto que se puede,

pero no es la mejor decisión, por-que eso complica el diseño sinsentido, ya que un amplificadorde potencia debe tener casi porobligación fuentes de las dos po-laridades y como los preamplifi-cadores tienen un consumo míni-mo siempre se pueden colocarreguladores. Por eso nuestroconsejo es utilizar dos regulado-res específicos para el preamplifi-cador; uno negativo y otro positi-vo de 5V y alimentar el operacio-nal a doble fuente. De ese modotambién se reduce el zumbido defuente a un valor despreciable.

Vamos a comenzar diseñandoun preamplificador con una ga-nancia de 10 veces con un con-trol de volumen sobre la entrada.Por supuesto el Multisim solo cal-cula el amplificador básico; Ud.debe hacer el resto. Para calcularel amplificador básico debe entraren la pestaña ToolsíCircuit Wizar-díOpamp Wizard y aparecerá unapantalla que le ofrece los diferen-tes cálculos automáticos. Por de-fecto aparece amplificador inver-sor; luego aparecen los diferen-tes parámetros deseados; colo-camos los valores, preguntamossi se verifica la posibilidad de eje-cución y el programa indica quesí. Ver la figura 1. Luego pedimos

Figura 1 - Solicitud de cálculo de un amplificador inversor

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Building (construcción) y apareceel circuito mostrado en la figura 2.

Analicemos algunos detallesde los amplificadores operaciona-les. La ganancia de un amplifica-dor operacional es función de larealimentación. La razón es quela impedancia de entrada puedeconsiderarse infinita y la gananciainterna también.

Eso significa que si la tensiónde salida es finita; entre los termi-nales - y + la tensión puede con-siderarse nula; como no circulacorriente por la entrada (impedan-cia infinita) la corriente por R1 yR2 debe ser la misma y entonces.Se puede poner que Vsig/R1 =Vs/R2 y que Vs/Vsig = Av =R2/R1. Aunque la entrada + y - notomen corriente, el hecho de quela tensión sea nula puede consi-derarse como que + está conecta-da a masa y entonces la resisten-cia de carga sobre el generadores igual a R1 es decir que nuestrocircuito de ejemplo tiene 100kΩde impedancia de entrada (si de-sea tener menos coloque un re-sistor de entrada a masa).

La impendancia de salida noes inmediatamente calculable,pero es del orden de las decenasde Ohms.

Ahora vamos a armar un ver-

Figura 2 - Circuito del amplificador inversor solicitado

Figura 3 - Preamplificador sin control de tono

Figura 4 - Oscilograma y corte de frecuencia del preamplificador

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dadero amplificador de entrada yanalizaremos su respuesta en fre-cuencia utilizando un circuito inte-grado Texas TL072 o similar quees un amplificador operacional

con entrada JFET de bajo ruido.Ver la figura 3. Este circuito sólotiene agregado el control de volu-men conectado a masa y un ca-pacitor de corte de bajos, impres-

cindible para evitar la resonanciadel baffle, que se ajusta por medi-ción de la corriente de salida so-bre el parlante tal como fuera ex-plicado en esta misma serie. Laseñal del osciloscopio nos permi-te comprobar la amplificación y ladel medidor de Bode la respuestaen frecuencia. Ver la figura 4.

Como podemos observar elcorte superior es 353KHz, lo cuales harto suficiente para la bandade audio extendida, que suele to-marse como de 100KHz. Y que laamplificación es la solicitada de10 veces cuando el potencióme-tro se encuentre al 100%, ya queal 50 % es de 5 veces.

El control de tono más ele-mental es un control de corte deagudos que permite una repro-ducción de la banda completahasta 20kHz o un corte ajustableentre 20kHz y aproximadamente2 o 3kHz para que el sonido nosea chillón.

En realidad lo que se pretendees aumentar los graves, recortan-do los agudos y levantando el vo-lumen. Y además se aprovechapara cortar los agudos a 20kHzcon el tono a máximo porque eneste caso lo que abunda daña,porque podrían entrar emisora dela banda de OL marina que pro-duzcan salida inaudible pero quesature al amplificador. Ver la figu-ra 5.

Como vemos, el agregado to-ma la señal de la salida de U1A yla atenúa o la deja sin atenuar deacuerdo a la posición del poten-ciómetro R4.

Los capacitares de realimenta-ción cortan la banda pasantecuando el control de agudos quese maneja con la tecla A está encero, no permitiendo que la res-puesta supere los 20KHz.

En la figura 6 se puede obser-var la respuesta en frecuenciacon el control de agudos en míni-mo que como se observa comien-

Figura 6 - Control de agudos en mínimo

Figura 7 - Control de agudos en máximo

Figura 5 - Control de tono por corte de agudo.

za a cortar en los 5KHz dejandoun sonido similar al de un teléfo-no.

En la figura 7 se puede obser-var la respuesta en frecuenciacon el control de tono en máximo.

Observe que ahora la res-puesta llega hasta unos 35KHzcon una pérdida del 30% para noperder nada en 20kHz. Esto se lo-gra con el agregado de los capa-citores C3 en la realimentaciónnegativa del primer circuito inte-grado y el capacitor C4 en el se-gundo.

Los cortes se establecieron enfrecuencias diferentes para per-mitir una curva sin mucha pen-diente, ya que el exceso de pen-diente podría traer aparejado ungiro de fase de la realimentaciónmuy peligroso (oscilación).

El próximo paso es el agrega-do de un control de bajos que sepone sobre la entrada para modi-ficar el corte de bajos generadopor el capacitor C1 y que se ob-serva en la figura 8.

Con este agregado si se colo-ca el control de bajos en el valormínimo, se consigue una curvacomo la indicada en la figura 9.

Por lo tanto la respuesta enbaja frecuencia cambia de unos70Hz a 200Hz.

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Figura 8 - Circuito del control de bajos

Figura 9 - Control de bajos a mínimo

Figura 10 - Control de tono tipo Vaxandal

Preamplificador con Control

de Tono Baxandal

Un buen control de tono tieneque tener características avanza-das de refuerzo; con filtros activosque permitan realzar los bajosmedios o agudos en forma inde-pendiente. Sólo se requieren 2potenciómetros como en el circui-to anterior, pero en este caso losagudos y los bajos pueden sertanto atenuados como reforzadosde -20dB a +20 dB (es decir 10veces) aproximadamente. En la fi-gura 10 se puede observar el cir-cuito correspondiente.

El circuito del primer integradoes muy similar al estudiado ante-riormente. En este caso se pre-tende compensar la pérdida en al-tas frecuencias con un capacitorC4 en paralelo con el resistor derealimentación R1. Además elcontrol de volumen R6 está ahorasobre la salida del primer integra-do U1A.

Lo más interesante del circuitoestá en el filtro activo que ajustala banda pasante de audio. Pien-se que la realimentación negativaproduce siempre una atenuacióny cuando la quitamos, una ampli-ficación. En esta red variable conlos dos potenciómetros de controlde tono; variamos la red de reali-mentación en función de la fre-cuencia dada la existencia de C5,C3 C7 y C6. Determinar intuitiva-mente cómo varía la realimenta-ción con la frecuencia, para todaslas posiciones de los cursores escasi imposible. Sólo se puede en-tender realizando las ecuacionesde cálculo y las mismas son muycomplejas.

Nosotros vamos a confiar en elMultisim para determinar las cur-vas en diferentes posiciones delos cursores y verá que aún así elestudio de este filtro es complejoy largo.

En principio vamos a determi-nar la respuesta con los potenció-

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Figura 11 - Vaxandal en plano

Figura 12 - Refuerzo de bajos del Vaxandal

Figura 13 - Refuerzo de agudos

Figura 14 - Efecto Karaoke

metros de bajos y agudos al 50%que equivale a respuesta plana.Ver la figura 11.

Se puede observar, moviendoel cursor, que se obtiene una res-puesta plana entre 16Hz y 22KHzlo que puede considerarse ade-cuado.

La siguiente gráfica la realiza-mos con toda la acentuación posi-ble de bajos. Colocando el poten-ciómetro R4 al 100%. Ver la figu-ra 12.

Se puede observar que se pro-duce un refuerzo de 18dB en 24Hz con referencia a la salida en 1KHz. Ahora quitamos el refuerzode bajos llevando el potencióme-tro a 50% y subimos el de agudosllevándolo al 100%. Ver la figura13.

En este caso se produce unrefuerzo de unos 12dB en 17 KHzen lugar de los esperados 20 dB,pero podemos considerar unaceptable funcionamiento del fil-tro aunque habría que tratar demodificar los valores de los capa-citores C7 y C6 para lograr unmejor refuerzo de agudos.

Una curva muy interesantees la que se llama Karaoke, queconsiste en reforzar ambas pun-tas de la respuesta, en detrimentode las frecuencias centrales quecorresponden a la voz hablada.Esto permite reducir la voz de uncantante manteniendo la música ylos ritmos para permitir sumar lavoz del usuario, recogida con unmicrófono, para lograr el efectoKaraoke aun en los discos que nolo tienen de origen. Ver la figura14.

Aquí se puede observar unaatenuación de la voz hablada delorden de los 20dB que genera elefecto de corte del cantante.

Por último cuando se desee unefecto de comunicación telefóni-ca, se recurre a atenuar altas ybajas frecuencias, obteniéndoseuna curva como la indicada en lafigura 15.

Protección

de un Amplificador

Existen tres tipos de proteccio-nes a agregar en un buen pream-plificador. La primera y fundamen-tal es por protocolo: “nunca co-necte el audio de equipos que es-tán conectados a red”.

Otra es la protección de entra-da, para evitar que la misma sequeme cuando se conecta unequipo que tiene problemas deaislación del transformador de po-der y se conecta primero el vivo yluego la masa. En ese caso sepueden aplicar tensiones de redmuy altas (del orden de la tensiónde red) aunque por lo general aalta impedancia.

Este problema posee una pro-tección primaria que son los co-

nectores que mecánicamente noconectan el vivo antes de conec-tar la masa (conector tipo micrófo-no). Pero el preamplificador debetener alguna protección eléctricasobre la entrada por lo generalrealizada con diodos que limitanla tensión de entrada a +-600 mV.

Pero hay otra protección quegeneralmente no se tiene encuenta y que es la señal de salidadel preamplificador. Un exceso desalida puede producir una sobre-carga del amplificador que de al-gún modo lo queme. En la figura16 se pueden observar dos senci-llas protecciones que evitan elproblema claramente.

La protección de entrada sebasa en que la tensión de red cai-ga sobre R3. por lo tanto el mismodebe soportar una tensión de

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Figura 15 - Curva tipo telefónico

Figura 16 - Preamplificador terminado con protecciones de entrada

y salida

220V. Se puede utilizar un resistorespecial del tipo “metal glazed”pero como no son fáciles de con-seguir, le recomendamos utilizarcuatro resistores en serie; dos de22kΩ y dos de 27kΩ de 1/8 de Va-tio. La protección de entrada nose aplica hasta que la señal deentrada sea de 600mV, lo cual es-tá muy lejos del valor normalizadoque nosotros tomamos como de100mV pico.

La protección de salida operaa los 1,2V siendo que la tensiónnominal de salida es de 1V pico.Esto genera una excelente pro-tección de salida que no permitirála saturación del amplificador depotencia. En la figura 17 se puedeobservar la señal de salida conuna entrada de 200mV pap.

Se trata de dos circuitos cuyafunción es fácilmente entendible ysu acción de protección muy efec-tiva.

Un detalle a tener en cuentaes la señal de entrada que se apli-ca al circuito. No es convenienteque la misma supere los 200mVpap aunque el control de volumenpermita su ajuste. Esto es porquela primer etapa podría generar al-guna mínima distorsión con ten-siones mayores. En caso de queun equipo posea una salida ma-yor debe resolverse el problemacon un atenuador de entrada ade-cuado a su tensión de salida.

La Distorsión

del Preamplificador

La distorsión del amplificadora la señal de entrada normaliza-da, es un parámetro imposible deolvidar al diseñar un amplificador.El Multisim tiene un medidor digi-tal de distorsión muy similar a unoreal, que se puede observar co-nectado y midiendo en la figura18.

Como vemos la THD o distor-

sión armónica total se sitúa en unvalor prácticamente despreciablede 0,003 %, lo cual lo ubica den-tro del rango de los equipos profe-sionales.

Conclusiones

Y así completamos un pasomás en nuestro proyecto comple-to de un amplificador de audio deúltima generación. Tal vez el lec-tor se pregunte por qué no se tra-ta de un preamplificador digital. Yla respuesta es muy simple: reali-zar la función de amplificación enforma digital es una cosa, perorealizar todas las funciones queanalizamos en el presente artícu-lo en el campo digital, es un pro-

yecto aún no encarado por ningu-na famosa empresa de electróni-ca o fabricante de circuitos inte-grados.

No dudo que en algún momen-to alguien lo va a encarar, peropor ahora debemos conformarnoscon los viejos y conocidos circui-tos analógicos diseñados con losdispositivos más modernos quepodamos encontrar.

Nuestro diseño es especial porsu mínimo tamaño (un CI de 8 pa-tas) para resolverlo en una pe-queña plaqueta que se monte di-rectamente sobre las patas de lospotenciómetros, para que las co-nexiones sean lo más cortas posi-bles y no haya posibilidad de cap-tar el zumbido irradiado por eltransformador de poder.

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Figura 17 - Funcionamiento del recortador de salida

Figura 18 - Medición de la distorsión armónica total.