Daniela Pacheco Sandoval

Matas Serrano Acevedo

Hans Grawe Poch

Diego Rojas Torrealba

ELET361-402-1

Viernes, 21 de agosto de 2015

Informe de Investigacin

Electrnica II

Licenciatura en Artes con mencin en Sonido

Electrnica II

Jos Luis Crdenas

ndice

Introduccin ...................................................................................................................... 3

Desarrollo ......................................................................................................................... 4

Actividad (a) .................................................................................................................. 4

Distorsin lineal: ........................................................................................................ 4

Distorsin No Lineal: ................................................................................................. 5

THD o Distorsin Armnica ...................................................................................... 5

Distorsin por Intermodulacin o IMD ...................................................................... 5

Vlvulas o tubos ........................................................................................................ 6

Transformadores ....................................................................................................... 6

Transistores ............................................................................................................... 7

Diseo del Amplificador ............................................................................................ 7

Saturacin de cinta ................................................................................................... 8

Distorsin digital ........................................................................................................ 9

Actividad (b) ................................................................................................................ 10

1971 Primer microprocesador ................................................................................. 11

Actividad (c) ................................................................................................................ 14

Actividad (d) ................................................................................................................ 18

Actividad (e) ................................................................................................................ 20

Actividad (f) ................................................................................................................. 31

Bibliografa ...................................................................................................................... 32

Introduccin

En este informe de investigacin se abordarn los contenidos vistos en clase correspondientes

al ramo de Electrnica 2. Para ello se desarrollarn distintas actividades relacionadas con el

campo de la electrnica. Las diferentes temticas se definen a continuacin:

a) Se indagar acerca de los orgenes de las distorsiones de los instrumentos

b) Se har una cronologa acerca de los circuitos integrados

c) Se determinarn algunos elementos tales como ganancias y frecuencias de corte en un

circuito dado correspondiente a una distorsin con amplificador operacional

d) Se har una simulacin del circuito anterior en el software Multisim

e) Se determinar punto Q y ganancias en un circuito que emplea transistores FET

f) Se determinar voltajes y ganancias en una etapa preamplificadora a tubo y se

modelar utilizando Multisim

Desarrollo

Actividad (a)

Indague acerca de los orgenes de las distorsiones de instrumentos, y elabore una

cronologa con los principales hitos.

Se entiende por distorsin la diferencia entre la seal que entra a un equipo o

sistema y la seal que sale del mismo. As, puede definirse como la "deformacin" que

sufre una seal tras su paso por un sistema. Por lo tanto, cuando una seal sufre una

deformacin en alguna de sus caractersticas se dice que se ha distorsionado,

cualquier cambio puede ser considerado distorsin, aunque no tiene porqu ser

necesariamente desagradable.

Otro efecto paralelo del procesamiento de las seales es la degradacin de la seal,

digamos que ahora el problema no es que el sonido sufra cambios, sino que se le ha

aadido una cantidad de ruido.

A la hora de disear un aparato electrnico, el principal objetivo es obtener la mayor

eficiencia, donde se trata de consumir la menor cantidad de energa e informacin,

para obtener la mayor cantidad de trabajo. Cuando los componentes electrnicos no

pueden procesar un exceso de energa o de datos, producen distorsin. Cuando

tienen que trabajar con un nivel insuficiente de energa producen ruido. Y estos dos

problemas se pueden mezclar empeorando la situacin: demasiada energa produce

calor, que a su vez produce ruido. Los mejores diseos electrnicos son los que

controlan perfectamente la relacin entre la cantidad de energa producida y la

consumida.

Podemos distinguir dos tipos de distorsin: lineal y no lineal.

Distorsin lineal:

Es aquella que no modifica las componentes espectralesde la seal sobre la que se

aplica; esto es, la banda ocupada por la seal es lamisma con y sin distorsin. Esto

implica que no aparecern nuevos armnicos en la seal, sino que ciertas frecuencias

pueden desaparecer o exagerarse.

Normalmente depende de la electrnica de un equipo, del diseo de los altavoces, o

de la construccin de nuestra habitacin, por lo que es difcil cambiarla o controlarla.

Es el tipo de distorsin que se encontraba en los primeros aparatos de sonido, la seal

podra entrar sonando bien al amplificador, pero su respuesta no era igual para todas

las frecuencias y el resultado era una ecualizacin indeseada, una distorsin

independiente del nivel. Ejemplos de hoy en da son los grabadores de voz baratos y

los telfonos, el sonido que pasa por ellos pierde muchsimos graves y agudos, y su

dinmica prcticamente desaparece.

Distorsin No Lineal:

Es aquella que genera componentes de frecuencias nuevas que no existan en la

seal original.

Se sabe que su origen radica en la utilizacin de dispositivosno lineales. Las tcnicas

de anlisis comunes, como el modelado de pequeaseal, son ineficaces a la hora de

caracterizar la distorsin introducida por undispositivo, debido a que implican una

linealizacin de su funcincaracterstica.

A partir del hecho que la distorsin No Lineal s aade nuevas componentes de

frecuencias a la seal original, es que asociaremos este fenmeno a una aplicacin

esttica musical y ms especficamente a su uso en instrumentos musicales; ya que al

aadir estos componentes, est cambiando parmetros como el color y dinmica de la

onda, los cuales nuestro odo es capaz de percibir como un cambio que puede o no

ser agradable de escuchar; pero que, sin duda, es un recurso ms para aadir a una

sonoridad deseada.

La mayor diferencia entre la distorsin de un circuito y la de otro la percibimos al

comparar sus armnicos nuevos, y los componentes ms usados para producir

distorsin producen una componente armnica muy diferente: estamos hablando de

vlvulas, transistores, transformadores y la cinta de grabacin analgica.

THD o Distorsin Armnica

Si lo analizamos desde otra perspectiva podramos pensar que el circuito est

comprimiendo o limitando la seal, la diferencia es que mientras el compresor

intentaba alterar nicamente la dinmica de la onda, ahora estamos alterando la

dinmica y tambin la componente armnica. Si observamos una seal que tiene un

nmero de armnicos, y que despus de procesarla tiene un nmero distinto de

armnicos, diremos que hemos cambiado su componente armnica. Cuando una

seal atraviesa un circuito que no puede procesar todo su volumen, el resultado es

que el sonido sufre una reduccin de su dinmica y un aumento en sus armnicos, eso

es lo que estamos acostumbrados a llamar distorsin. Para medirla se utiliza el

porcentaje THD (Total Harmonic Distortion, distorsin armnica total), que se calcula

contando el nmero de nuevos armnicos presentes en la seal distorsionada. Esta

distorsin aparece cuando la ganancia alcanza el lmite del aparato.

Distorsin por Intermodulacin o IMD

Cuando dos o mas seales se mezclan en un circuito, se produce la distorsin de

intermodulacin o IMD. Las frecuencias que genera no tienen una relacin armnica

con la seal original. El resultado es que ante dos frecuencias A y B, se producirn

otras dos: (A + B) y (A B), es decir la suma y la diferencia de las originales. Cuanto

ms nos acercamos al punto de saturacin, mayor volumen tendrn estas frecuencias

parsitas con respecto al nivel de las fundamentales.

La distorsin armnica y la IMD se producen al mismo tiempo y en el mismo circuito,

por lo que cada nuevo armnico producido por la THD va a producir sus

intermodulaciones con los otros armnicos y con la fundamental. Este es el proceso

que ocurre en un amplificador de guitarra, si solo existiera THD el resultado sera

menos agresivo y ruidoso, pero como hay que aadir la IMD, acabamos con un sonido

que tiene muy poco parecido con el sonido original de la guitarra.

Vlvulas o tubos

Las vlvulas al vaco o tubos electrnico fueron inventados por el cientfico Britnico

John Ambrose Fleming en el ao 1904, al utilizar una vlvula diodo (el diodo Fleming)

para pasar corriente alterna a corriente continua (proceso de rectificacin).Fueron muy

utilizados en las dcadas de los 50 y 60 previos a la invencin del famoso y ya

mencionado transistor. Se usaban en radios, televisores, amplificadores, grabadores y

tambin en los ordenadores mas antiguos, curiosamente las primeras tecnologas

digitales usaban vlvulas.

Una de las caractersticas implcitas de las vlvulas es su alta impedancia de salida,

esto hace que su conexin con otros equipos sea muy diferente en comparacin con

los transistores. Cuando un circuito de alta impedancia alimenta otro circuito, su

respuesta en frecuencias se ve alterada de una forma muy agradable para el odo

humano. Se produce una ecualizacin fruto de las distintas resistencias que

presentan los graves, medios y agudos, y el resultado es que tanto los graves como

los agudos se ven amplificados mientras que los medios se mantienen sin exagerar.

Este efecto sonrisa se puede asignar al uso de las vlvulas, pero se puede conseguir

con un ecualizador fcilmente. No estamos hablando de distorsionar generando

nuevos armnicos, sino de una suave alteracin del nivel de algunas frecuencias.

Muchas de las caractersticas de distorsin que se suelen asignar a las vlvulas no las

producen ellas mismas, sino las tipologas de circuitos donde se integran. Debido a la

forma de trabajar de las vlvulas y a su alta impedancia de salida, los circuitos que las

incluyen necesitan tambin trabajar con transformadores para adaptar estas

impedancias.

Transformadores

El uso de circuitos con tubos sigue siendo un lujo, aunque muchas veces no se eligen

para obtener un sonido limpio y puro, sino para llevarlos a la distorsin y aprovechar el

sonido caracterstico que aportan al saturar: el soft clipping (limitacin suave). Quiz

debido a la mayor visibilidad y espectacularidad de las vlvulas, se ha creado el mito

de que son ellas las causantes del soft clipping, cuando en realidad no es en los tubos

donde se produce la distorsin, sino en los transformadores. Siempre que hay vlvulas

tiene que haber transformadores porque de otra forma la impedancia de salida sera

demasiado alta para conectar las distintas partes del circuito y para la conexin con

otros equipos.

Cuando el sonido alcanza el nivel mximo del circuito el transformador redondea la

seal, aplicando algo parecido a la compresin llamado soft clipping, con lo que se

consigue un volumen mayor y una dinmica menor sin aumentar significativamente el

nmero de armnicos. Adems es importante el hecho de que segn los armnicos se

alejan de la frecuencia original, su nivel va decreciendo.

Transistores

Se inventaron en los aos 40 y se empezaron a utilizar en los 50. Los primeros

transistores se hicieron con germanio, aunque el gran salto se dio con los de silicio.

Sus ventajas son la sencillez de diseo, su capacidad de miniaturizacin y la fcil

produccin en masa, y gracias a estas caractersticas fueron capaces de desbancar a

las vlvulas en menos de una dcada, tanto en el mercado domstico como en el

profesional. Al compararlos con las vlvulas veremos que funcionan con voltajes

mucho menores, lo que les proporciona menor headroom o amplitud de trabajo; eso

tambin les permite ejercer menos trabajo efectivo, lo que nos lleva a disear circuitos

ms complejos y tcnicas de amplificacin ms agresivas con la integridad de la seal.

En cuanto al sonido de los transistores debemos volver al trmino soft clipping para

saber que cuando se alcanza el nivel mximo de un transistor, ste se va a comportar

de forma distinta al transformador porque aplicar el llamado hard clipping o

limitacin dura. La principal diferencia es que se producirn bastantes armnicos y

stos no bajarn tanto de nivel al alejarse su frecuencia de la original. Al observar una

onda con hard clipping se puede ver que se ha perdido suavidad, y ha aparecido un

corte justo en el nivel mximo. Para el odo el resultado es un sonido muy agresivo,

con una distorsin que tiene una alta componente de ruido, es decir que sus

armnicos tienen poca relacin con la frecuencia original, y estn ms relacionados

con las caractersticas y del circuito electrnico.

Diseo del Amplificador

El tipo y la cantidad de distorsin va a depender totalmente del diseo del amplificador,

y el hecho de que use tubos o transistores solo influir ligeramente en el color de la

distorsin. Existen dos grandes tipos amplificadores: Single Ended y Push-Pull, los

ltimos pueden ser de clase A, B, AB, C y D, y los primeros solo son de clase A.

1- Single Ended:

Los amplificadores clase A son los que ms respetan la integridad del sonido, porque

procesan toda la onda por el mismo circuito y su nico inconveniente es que amplifican

relativamente poco antes de distorsionar. Por debajo de la distorsin pueden producir

el sonido ms limpio y claro, y cuando rompen el sonido lo hace de forma suave y

Figura 1. Comparacin de Clipping entre Transistor (rojo) y Vlvula (verde).

agradable. Histricamente es la tipologa ms antigua, aunque hoy se puede encontrar

en amplificadores de guitarra de baja potencia y en algunos equipos de estudio de

gama alta.

Su distorsin se caracteriza por generar armnicos pares e impares, con mucho

volumen en el de segundo orden (el doble de la frecuencia fundamental), y una IMD

bastante alta en la que sobresalen las frecuencias graves. Gracias a esta distorsin su

sonido es muy respetado entre los amplificadores de guitarra.

2- Push-Pull:

Los diseos clase B, AB y C son mucho mas efectivos, capaces de amplificar mas con

el mismo gasto de energa, el problema es que no tratan muy bien a la seal y puede

producir varios tipos de distorsin, algunos muy desagradables al odo. Para trabajar lo

primero que hace es crear dos caminos para la onda, en uno se amplificar la fase

positiva y en otro la negativa, despus de amplificarse por separado, las dos fases se

vuelven a mezclar para mandar la seal completa a la salida. En estos procesos de

descomposicin y recomposicin de la onda se producen algunas deformaciones de la

onda, llamadas distorsin de cross-over, que aaden unos armnicos muy agudos.

Cuando un circuito Push-Pull se sobrecarga produce una distorsin formada por

armnicos pares e impares, todos ellos con un volumen muy similar, por otro lado la

IMD que produce es menor que en Single Ended, la solucin que se utiliza es aplicar

una realimentacin electrnica. Una parte de la seal de salida se vuelve a introducir

en la entrada del circuito con su fase invertida, de esta forma se elimina prcticamente

toda la IMD as como la distorsin de cross-over y tambin todos los armnicos pares

de la THD. El resultado es menos distorsin, aunque la que consigue salir carece de

frecuencias graves, por lo que nos resulta mas ruidosa y spera. Hoy en da todos los

amplificadores que no son clase A, utilizan la realimentacin negativa para ser ms

eficientes y conseguir un sonido ms limpio.

Saturacin de cinta

Adems de en la circuitera, la seal puede distorsionar en la cinta donde la grabamos.

Para grabar sonido el multipistas va alineando las partculas metlicas de la cinta, de

forma que stas forman una onda similar al sonido que se graba. Cuanto ms alto es

el nivel que grabamos, ms partculas se magnetizan, y cuando alcanzamos el nivel

mximo es porque ya no hay mas partculas para alinear. En ese momento se alcanza

la saturacin de cinta, que produce una distorsin parecida a la de un amplificador

single-ended, adems de una compresin de la seal.

La fama de la saturacin de cinta (o tape saturation) no le viene por su distorsin, sino

porque antes de alcanzar su nivel mximo ya est produciendo una compresin y una

distorsin muy suave. El principal efecto se produce en los agudos ya que los

transitorios (agudos por definicin) pierden mucha de su dinmica. Por otro lado la

distorsin genera una cantidad pequea de armnicos graves. La principal

caracterstica de esta saturacin es que es muy suave y gradual, de hecho es otra

forma de conseguir soft-clipping, esta vez con un sonido caracterstico, mucho mas

comprimido.

Distorsin digital

Un sistema digital no puede sobrecargarse como uno analgico, si en un sistema de

16 bits hay 65.536 niveles para el nivel de una seal, no puede haber uno mas cuando

el sonido es mas alto. La distorsin digital elimina totalmente la parte de onda que

estara por encima de su lmite, se produce un recorte o truncado quedando una onda

con picos y valles planos, horizontales, muy parecida a la de hard clipping. Por

supuesto armnicamente hablaremos de IMD y THD, con resultados tanto o ms

desagradables que en analgico, muchas veces se producen picos y transitorios de

nivel muy alto.

Gracias a algunos algoritmos de simulacin y modelado acstico se han conseguido

resultados muy buenos en procesadores digitales de distorsin. Despus de analizar

la distorsin de un equipo analgico, un programa puede procesar una seal digital y

producir un resultado muy parecido al original sin salir del entorno digital. Existen

multitud de plug-ins, procesadores, efectos y amplificadores de guitarra que disponen

de esta tecnologa, y son capaces de simular todas las distorsiones de las que hemos

hablado aqu. Por ahora el sonido de un buen amplificador sigue sin ser igualado por

ningn aparato digital, quiz en el futuro lo consigan.

Actividad (b)

Investigue acerca de la cronologa y evolucin de los circuitos integrados.

1952 Geofrey W. A. Dummer crea el concepto de CII.

1952 Se publica el concepto.

1954 Desarrollo de proceso de enmascaramiento del xido proceso incluye oxidacin,

foto-enmascaramiento, corrosiny difusin.

1958 Jack Kilby crea el Circuito integrado (Oscilador con 5 componentes).

Por aquel entonces Kilby se acababa de incorporar en plantilla para solucionar los

problemas de conexin de los componentes electrnicos de la empresa, encargada de

desarrollar y comercializar semiconductores y tecnologa para ordenadores.

A los pocos meses se propuso cambiar algunas cosas y descubri que todos los

componentes podan fabricarse con el mismo material semiconductivo empleado en

aquel momento, el Germanio, y as crear un circuito completo. Entonces concibi el

primer circuito electrnico cuyos componentes activos y pasivos estuviesen dispuestos

en un mismo material semiconductor, ocupando la mitad de espacio de un clip

sujetapapeles. Su invento que meda 11,5 milmetros dio lugar al primer circuito

integrado CI o tambin llamado microchip, revolucionando as el mercado

electrnico hasta nuestros das.

El nuevo invento, creado por Kilby y desarrollado por Texas Instruments el 12 de

septiembre de 1958, estaba constituido por una pastilla cuadrada de germanio, un

elemento qumico metlico y cristalino, que meda seis milmetros por lado y contena

apenas un transistor, tres resistencias y un condensador. A diferencia de los circuitos

convencionales, en el circuito integrado todos sus componentes son impresos como

una sola pieza por fotolitografa, abaratando as los costes de manufactura y su

mantenimiento.

Imagen 1. Primer prototipo inventado por Kilby

1959 Invento de tecnologa planar.

Esta tecnologa consiste en la difusin de impurezas en reas previamente

seleccionadas de una oblea de silicio con el fin de crear zonas de carcter p n, as

como uniones p-n. Todos los componentes se colocan sobre la misma superficie de

una de las caras de la oblea, lo que le da el nombre de Planar.

Esta tecnologa se usa an en la actualidad.

1960 Primer MOSFET fabricado en los Laboratorios Bell, por Kahng.

1961 Primer Circuito Integrado comercial: Primer modelo comercial (creado por

Fairchild and Texas Instruments) del circuito integrado de Kilby. Consista en un

circuito biestable compuesto por 4 transistores y 4 resistencias.

1962 Invento de TTL.

Las entradas TTL son los emisores de un transistor de emisor mltiple. Esta

estructura IC es funcionalmente equivalente a mltiples transistores en las bases y los

colectores estn vinculados entre s. La salida est amortiguada por un amplificador

emisor comn.

1963 Primer Circuito Integrado PMOS producido por RCA.

La tecnologa CMOS fue desarrollada por Wanlass y Sah, de Fairchild Semiconductor,

a principios de los aos 1960. Sin embargo, su introduccin comercial se debe a RCA,

con su famosa familia lgica CD4000.

1971 Primer microprocesador

El Intel 4004 (i4004), una CPU de 4bits, fue el primer microprocesador creado en un

simple chip.

Imagen 2. Representacin esquemtica (a) de un tipo de formato de circuito integrado CI de los ms populares (DIL

14) y su aspecto prctico (b).

Este procesador fue originalmente diseado por parte de Intel para la compaa

japonesa Busicom para ser usado en su lnea de calculadoras. Pero pronto la industria

se dio cuenta del increble descubrimiento que accidentalmente aconteci:

Por primera vez un chip electrnico poda ser programado mediante software para

drsele un uso general, en vez de tener un nica funcin.

Especificaciones tcnicas

* Microprocesador de 4 bits

* Contiene 2.300 transistores

* Encapsulado CERDIP de 16 pines

* Mxima velocidad del reloj 740 KHz

*Circuito Integrado de 2 kbit ROM

*Circuito Integrado de 320 bit RAM

*Procesador:Proceso PMOS de compuertas en Si, 10 m

~2300 transistores

*Tamao del dado de silicio: 13,5 mm2

1982 Intel 80286

El Intel 802861 (llamado oficialmente iAPX 286, tambin conocido como i286 o 286) es

un microprocesador de 16 bits de la familia x86, que fue lanzado al mercado por Intel

el 1 de febrero de 1982. Cuenta con 134.000 transistores. Al igual que su primo

contemporneo, el 80186, puede ejecutar correctamente la mayor parte del software

escrito para el Intel 8086 y el Intel 8088.2 Las versiones iniciales del i286 funcionaban

a 7 y 8 MHz, pero acab alcanzando una velocidad de hasta 25 MHz. Fue el

microprocesador elegido para equipar al IBM Personal Computer/AT, introducido en

1984, lo que caus que fuera el ms empleado en los compatibles AT hasta principios

de los 1990.

Imagen 3. Esquema de pines del microprocesador Intel

400

Imagen 4. Intel i4004

*microprocesador de 16 bits

*Contiene 134000 transistores

*Velocidad de reloj: 6 a 12 MHz

*Procesador: Proceso CMOS de compuertas en Si, 1,5 m

*1 capa de polisilicio

*2 capas metlicas

*Tamao del dado: 68,7 mm2

Los avances que hicieron posible el circuito integrado han sido, fundamentalmente, los

desarrollos en la fabricacin de dispositivos semiconductores a mediados del siglo XX

y los descubrimientos experimentales que mostraron que estos dispositivos podan

reemplazar las funciones de las vlvulas o tubos de vaco, que se volvieron

rpidamente obsoletos al no poder competir con el pequeo tamao, el consumo de

energa moderado, los tiempos de conmutacin mnimos, la confiabilidad, la capacidad

de produccin en masa y la versatilidad de los CI.

En la actualidad, la gran variedad de circuitos integrados se encuentran en casi la

totalidad de la electrnica que forma parte de nuestra cotidianidad. Tambin otras

divisiones de CI, como los chips de memorias digitales, son de vital importancia para el

manejo de informacin de la sociedad contempornea.

La evolucin de los circuitos integrados se desencadena por la necesidad de obtener

tamaos cada vez menores, mejores caractersticas y presentacin, adems de

mejorar su eficiencia y eficacia; lo que implica una mayor cantidad de elementos

integrados en un mismo chip. Es importante tener en cuenta que a medida que se

disminuye el tamao, cualidades como el costo de fabricacin y consumo de energa

disminuyen, a la par que aumenta el rendimiento.

Imagen 5. CI Intel 80386 Imagen 6. Intel 80286

Actividad (c)

Determine tericamente las ganancias, frecuencias de corte y formas de onda de

salida del siguiente circuito.

Figure 1

El circuito trabaja con un amplificador operacional doble modelo 4558, el cul se

encuentra en modo no inversor, donde su ganancia est definida por

Donde segn la tabla de componentes del circuito, sus valores son

Para encontrar Av, evaluaremos R13 en sus valores extremos

Caso A: R13 = 0

Caso b: R13 = 500k

UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE ARTES LICENCIATURA EN ARTES M/SONIDO ASIGNATURA: ELECTRNICA 2 PROFESOR: JOSE LUIS CARDENAS BERGMANN

1

TRABAJO INVESTIGACION 1 - ELECTRONICA 2

Fecha de Entrega: 17 Mayo Grupo: Hasta 3 estudiantes Calificacin: Acumulativa. Normativa Trabajo: https://dl.dropboxusercontent.com/u/51254897/WEBSITE/DOCS/ESTRUCTURA_INFORMES.pdf 1.- Indague acerca de los orgenes de las distorsiones de instrumentos, y elabore una cronologa con los principales hitos. 2.- Investigue acerca de la cronologa y evolucin de los circuitos integrados. 3.- Determine tericamente las ganancias, frecuencias de corte y formas de onda de salida del siguiente circuito. 4.- Realice la simulacin en AC del siguiente circuito, en cualquiera de las versiones indicadas en los link. Utilice el AO sin Vcc y omita las secciones que polarizan en DC el circuito. Coloque un Vin = 50 mV a 1 Khz.

La informacin completa del circuito esquemtico est en los link:

http://dl.dropbox.com/u/51254897/WEBSITE/DOCS/MXR_DISTORTION_TONEPAD.pdf

http://dl.dropbox.com/u/51254897/WEBSITE/DOCS/MXR_DISTORTION_KOWKA.pdf

Al ser una seal no inversora, se obtiene a la salida del amplificador operacional una

seal con la misma fase de entrada y con una ganancia que puede llegar hasta los 46

dB. Sin embargo, a la salida del circuito, se encuentra una etapa rectificadora con 3

diodos (D1 antiparalelo a D2 + D3)1. Estos diodos producen un recorte en la seal

asimtrico segn el voltaje forward de cada uno de ellos, el cual lo limita en 0,7v en la

fase positiva y 1,4 en la fase negativa (ya que D2 y D3 se encuentran en serie), como

se puede apreciar en la figura 2.

As, la seal amplificada para un voltaje hipottico de 5v es recortada de la siguiente

forma

Figure 2

Si entra a esta etapa una seal menor a 0,7 Vpeak, la seal no se recortar.

Tambien en el circuito hay dos etapas principales de filtrado (fig. 3), cuyas frecuencias

de corte estn determinadas por

1 En el esquemtico aparece D3 como Jumper, lo que generara un recorte (y por ende una distorsin) de tipo simtrico. Sin embargo, es sabido que las distorsiones asimtricas producen seales con mayor contenido armnico que las simtricas.

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

VOLTAJE (V)

TIEMPO

Seal amplificada

Seal recortada

Figure 3

Caso A: Filtro pasa bajos

La frecuencia de corte est dada por

Evaluando:

Caso B: Filtro pasa bajos

Como est presente R13, el cual es una resistencia variable, la

evaluaremos en sus condiciones extremas

Lo que nos da como resultado

El resultado que se obtiene es interesante, ya que si la ganancia tambin est definida

por R13, lo que nos lleva a la conclusin que el potencimetro al aumentar la ganancia,

tambin aumenta la frecuencia del HPF.

As que la respuesta en frecuencia obtenida a la salida del AO vara entre los valores

que se pueden ver en las fig 4 y 5

Figure 4

Figure 5

Cabe destacar que esta no corresponde a la respuesta en frecuencia del circuito en su

totalidad, ya que la etapa rectificadora al distorsionar, enriquece bastante el espectro

armnico de la seal, lo que le da el timbre caracterstico a las distorsiones.

Actividad (d)

Realice la simulacin en AC del siguiente circuito, en cualquiera de las versiones

indicadas en los link. Utilice el AO sin Vcc y omita las secciones que polarizan en DC

el circuito. Coloque un Vin = 50 mV a 1 KHz.

El dibujo es el siguiente

Donde la seal de entrada corresponde a

Y para visualizar la seal de salida, primero consideraremos que ambos

potencimetros estn en 0

Como podemos observar, se obtiene una seal similar a la que calculamos

previamente, solo que los niveles mximos son ligeramente inferiores debido a la

accin de los otros componentes en la cadena. Sin embargo, la fase se mantiene con

respecto a la entrada y las caractersticas del recorte siguen siendo iguales (Vf para el

ciclo positivo y -2Vf para el ciclo negativo)

Si variamos el potencimetro R13 a 500k y el R14 a 25k, vemos como la onda deja de

parecerse tanto a una onda cuadrada, cambiando su respuesta transiente, y su nivel

de voltaje disminuye. Esto nos lleva a la conclusin que R13 corresponde al control de

distorsin y timbre (por como afecta al HPF) y R14 al control de nivel de salida.

Para visualizar las ganancias

La ganancia tambin es ligeramente menor a la calculada, alrededor de las 140 veces,

considerando las mismas condiciones de R13, esto debido a la accin de los dems

componentes involucrados en el circuito.

Actividad (e)

Determinar el punto Q de cada etapa, considerando las especificaciones Idss=8mA y

Vp = -6 V. Determine adems, en forma terica y simulada la ganacia Av y Ai,

considerando las condiciones con/sin los condensadores de source. Considere:

Vin = 10mV a 1KHz.

5.1 ) Anlisis de la primera etapa del preamplificador

El JFET esta en configuracin de autopolarizacin.

Haciendo el anlisis de cd, los capacitores son considerados circuitos abiertos y el RG

por un cortocircuito ( puesto que IG = 0A ).

El circuito equivalente queda como :

Aplicando Kirchoff a la malla queda:

-VGS VRS = 0

VGS = -VRS

VGS = - ISRS

Y como ID = IS

Se puede concluir que:

VGS = - IDRS

RS = 560[Ohm]

RD = 1800 [Ohm]

Para calcular el punto Q del sistema

basta con graficar la curva de

transferencia y la lnea de

autopolarizacin.

Para trazar la lnea de

autopolarizacin se tomaran los

siguientes puntos:

ID = 4[mA] VGS = - 4 x 10-3 x560

VGS = - 2,24 [V]

ID = 8[mA] VGS = - 8 x 10-3 x 560

VGS = - 4,48 [V]

ID = 0 [mA] VGS = 0 [mA]

Para graficar la curva de transferencia usamos la ecuacin de Shockley:

Tomando algunos puntos de referencia se puede trazar la curva:

VGS = Vp x 0,5 ID = 8x10-3 ( 1 3/6)2

VGS = - 3 [V] ID = 2[mA]

VGS = Vp x 0,3 ID = 8x10-3 ( 1 1,8/6)2

VGS = - 1,8 [V] ID = 4[mA]

Trazando las funciones tenemos:

Por lo tanto, el punto Q del primer JFET en la primera etapa del preamplificador, de

acuerdo a las grficas es de:

Considerando IDQ con un valor aproximado de 3,6 [mA] de acuerdo a la escala de la

grfica, se puede calcular VGSQ.

VGSQ = - 3,6 x 10-3 x 560

VGSQ = -2 [V]

Pto Q [ - 2 ; 3,6 ]

Esto se puede comprobar matemticamente de la siguiente forma:

ID = y

Resolviendo la ecuacin cuadrtica se obtiene VGSQ = - 1,996 [V] un valor bastante

parecido al de la grfica.

Siguiendo con el anlisis de la primera etapa del preamplificador. Para calcular la

ganancia es necesario hacer el equivalente en ac del JFET, utilizando elementos del

anlisis de pequea seal, tenemos dos casos:

a) Sin considerar el capacitor de desacoplo de la resistencia de la fuente, el circuito equivalente sera:

Analizando el circuito, se obtiene:

VRG VGS VRS = 0

Vi = VRG = VGS + VRS VRS = ID RS ; pero ID en la malla es equivalente a gmVGS.

Por lo tanto, VRG = VGS ( 1 + gmRS )

Por otro lado:

Vo = VD = gmVGS RD

La ganancia de voltaje esta definida por la relacin:

AV = Vo / Vi

Reemplazando obtenemos:

Por definicin:

Cuando VGS es 0, gm alcanza su valor mximo, el cual se denomina gmo y

corresponde a:

Considerando el anlisis y los datos del circuito se puede calcular la ganancia de

voltaje:

gmo = 2,7 [mMhos]

; considerando VGS en el pto. Q.

gm = 1,8 [mMhos]

AV = 1,613 para la primera etapa del preamplificador sin considerar el bypass de la

resistencia de source por accin del condensador de desacople.

Para un voltaje de entrada de Vi = 10[mV]

1,613 x 10 = Vo [mV]

Vo = 16,13 [mV]

b) Para alcanzar la mxima ganancia de voltaje en esta etapa el condensador de bypass se conecta, cortocircuitando la resistencia de source:

Del anlisis se obtiene que:

Por lo tanto :

Entonces para un voltaje de entrada de Vi = 10[mV]

Vo [mV] = 3,24 x 10

Vo = 32,4 [mV]

Para la ganancia de corriente se considera la corriente de entrada con valor 0 debido a

que la compuerta del JFET esta conectada a sta. Por lo tanto se puede deducir

tericamente que la ganancia de corriente tiende a infinito.

; debido a las relaciones generales de los anlisis en cd de todos los FET

5.2 ) Anlisis de la segunda etapa del preamplificador

El JFET esta en configuracin de autopolarizacin.

Al igual que en la primera etapa, haciendo el anlisis de cd, los capacitores son

considerados circuitos abiertos y el RG por un cortocircuito

El circuito equivalente queda como :

-VGS VRS = 0

VGS = -VRS

VGS = - IS RS

Y como ID = IS

Se puede concluir, al igual que en la

etapa anterior, que:

VGS = - ID RS

RS = 470[Ohm]

RD = 1200 [Ohm]

Para calcular el punto Q del sistema

basta con graficar la curva de

transferencia y la lnea de

autopolarizacin.

Para trazar la lnea de

autopolarizacin se tomaran los

siguientes puntos:

ID = 4[mA] VGS = - 4 x 10-3 x 470

VGS = - 1,88 [V]

ID = 8[mA] VGS = - 8 x 10-3 x 470

VGS = - 3,76 [V]

ID = 0 [mA] VGS = 0 [mA]

Para graficar la curva de transferencia usamos la ecuacin de Shockley:

Tomando algunos puntos de referencia se puede trazar la curva:

VGS = Vp x 0,5 ID = 8x10-3 ( 1 3/6)2

VGS = - 3 [V] ID = 2[mA]

VGS = Vp x 0,3 ID = 8x10-3 ( 1 1,8/6)2

VGS = - 1,8 [V] ID = 4[mA]

Trazando las funciones tenemos:

Por lo tanto, el punto Q del segundo JFET, de acuerdo a la escala de las grficas es

de:

IDQarroja un valor aproximado de 3,85 [mA], con esto se puede calcular VGSQ.

VGSQ = - 3,85 x 10-3 x 470

VGSQ = - 1,81 [V]

Pto Q [ - 1,81 ; 3,85 ]

Comprobando matemticamente:

ID = y

Resolviendo la ecuacin cuadrtica se obtiene VGSQ = - 1, 821 [V] nuevamente un valor

muy cercano al de la grfica.

Reemplazando VGSQ en la ecuacin:

VGS = - ID RS podemos calcular IDQ = 3,87 [mA]

Siguiendo con el anlisis de la segunda etapa del preamplificador.

Para calcular la ganancia es necesario hacer el equivalente en ac del JFET, utilizando

elementos del anlisis de pequea seal, tenemos dos casos:

a) Sin considerar el capacitor de desacoplo de la resistencia de la fuente, el circuito equivalente sera:

Analizando el circuito, se obtiene:

VRG VGS VRS = 0

Vi = VRG = VGS + VRS VRS = ID RS ; pero ID en la malla es equivalente a gmVGS.

Por lo tanto, VRG = VGS ( 1 + gmRS )

Por otro lado:

Vo = VD = gmVGS RD

La ganancia de voltaje esta definida por la relacin:

AV = Vo / Vi

Reemplazando obtenemos:

Por definicin:

Cuando VGS es 0, gm alcanza su valor mximo, el cual se denomina gmo y

corresponde a:

Considerando el anlisis y los datos del circuito se puede calcular la ganancia de

voltaje:

gmo = 2,7 [mMhos]

; considerando VGS en el pto. Q.

gm = 1,9 [mMhos]

AV = 1,204 da como resultado la ganancia en la segunda etapa del preamplificador sin

considerar el bypass de la resistencia de source por accin del condensador de

desacople.

Para un voltaje de entrada de Vi = 10[mV]

1,204 x 10 = Vo [mV]

Vo = 12,04 [mV]

b) Al igual que en la etapa anterior para alcanzar la mxima ganancia de voltaje en esta etapa: el condensador de bypass se conecta, cortocircuitando la resistencia de source, resultando el circuito equivalentede esta manera:

Del anlisis se obtiene que:

Por lo tanto :

Entonces para un voltaje de entrada de Vi = 10[mV]

Vo [mV] = 2,28 x 10

Vo = 22,8 [mV]

5.3) Por ltimo la Ganancia de voltaje total del preamplificador esta dada por la

siguiente relacin:

a) Calculando la ganancia sin considerar los condensadores, obtenemos que:

b) Ahora consideremos los condensadores:

En conclusin el sistema es capaz de amplificar 7,39 veces una seal de entrada, en

este caso:

Vo [mA]= 7,39 x 10

Vo = 73,9 [mA]

Actividad (f)

Determine Vo(peak) , la ganancia de corriente y voltaje de la siguiente etapa

preamplificadora a tubo, considerando que la transconductancia del tubo 12AX7 es

1200 uMhos y que la seal de entrada es de 10 mV. Modele utilizando el multisim.

http://www.r-type.org/pdfs/12ax7.pdf

Se realiza la modelacin del circuito planteado en el software Multisim:

El voltaje peak que se usa en la fuente es de 10mV (peak). La vlvula se alimenta con

200V.

Luego, utilizando el mtodo de sonda de medicin (measurement probe) se

determinan los valores de voltaje y de corriente en la fuente de voltaje y luego de la

amplificacin en la vlvula 12AX7.

Finalmente los valores arrojados en la simulacin son los siguientes:

Vpeak(i) Ipeak(i) Vpeak(o) Ipeak(o) Volt Gain I Gain

10mV 10pA 0,67V 0,67nA 67,1 67,1

V1 10mVpk

1kHz

0

R11M

C1

10nFR210M

V2A12AX7

6

7

8

5 9

R3220k

C2

25nF

VCC

200V

XMM1

XMM2

XMM3

XMM4

Probe2

V(p-p): 1.36 V I(p-p): 1.32 nA Freq.: 1.00 kHz Ref: Probe1 Vgain(ac): 67.1

Probe1

V(p-p): 20.0 mV I(p-p): 20.0 pA Freq.: 1.00 kHz

Vp= 10 mV

Ip= 10 pA

Vp=0.67 V

Ip=0.67 nA

Bibliografa

Definicin Distorsin:

https://es.wikipedia.org/wiki/Distorsin#Distorsiones_que_ocurren_fuera_del_ampli

ficador

http://sonsonoros.com/2011/07/25/definicion-distorsion/

Distorsin Lineal: http://sonsonoros.com/2010/01/25/distorsion-lineal/

Distorsin No lineal: http://sonsonoros.com/2010/01/25/distorsion-no-lineal/

Vlvulas o tubos al vaco: http://unicrom.com/Art_tubos.asp

Hitos musicales de la distorsin:

http://www.foroguitarrista.com.ar/phpBB3/viewtopic.php?f=12&t=6755

http://galakia.com/rock-la-amplificacion-y-la-distorsion-elementos-imprescindibles/

Historia de los CI:

http://www.ie.itcr.ac.cr/palvarado/LabActivos/Fabricacion_Chips_061009.pdf

http://www.mundodigital.net/la-historia-de-los-circuitos-integrados/

https://es.wikipedia.org/wiki/Circuito_integrado

Primer CI creado por J. Kilby:

Libro Principios de electricidad y electrnica, Volume 3 - Antonio Hermosa Donate

(pg 196)

Compuerta TTL:

http://es.slideshare.net/ivanieto/aplicaciones-del-circuito-ttl?qid=40be70ce-079e-

47ca-bddb-0e4bec651ad2&v=default&b=&from_search=5

Intel 4004:

http://www.hermanotemblon.com/el-intel-4004-el-primer-microprocesador-de-la-

historia/

Intel 80286:

https://es.wikipedia.org/wiki/Intel_80286

MXR MicroAmp Analysis, Electrosmash.

http://www.electrosmash.com/mxr-microamp#link2

Visto en 18/Agosto/2015

Op-amp circuit analysis using a transfer function, OKAWA Electric Design.

http://sim.okawa-denshi.jp/en/opampkeisan.htm

Visto en 20/Agosto/2015

Conceptos bsicos sobre distorsin, pablofcid, Hispasonic

http://www.hispasonic.com/tutoriales/conceptos-basicos-sobre-distorsion/39162

Visto en 20/Agosto/2015