válvulas de vacío vs. transistores
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Comparación entre válvulas de vacío y transistores.TRANSCRIPT
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Departamento Ingeniera Electrnica Ctedra Fundamentos de Acstica y Electroacstica - FAyE 0611E2: MASERA N. - MORALES J. - MORENO A.
1
Universidad Tecnolgica Nacional Junio 2011, Argentina Facultad Regional Crdoba Ctedra Fundamentos de Acstica y Electroacstica
ANLISIS COMPARATIVO DE VLVULAS Y TRANSISTORES
EN PREAMPLIFICADORES DE AUDIOFRECUENCIAS
NICOLAS A. MASERA1, JUAN I. MORALES
1 Y ANA M. MORENO
1
1Estudiante de Ingeniera Electrnica. Universidad Tecnolgica Nacional, Facultad Regional Crdoba
(UTN. FRC.) Maestro Lpez esq. Cruz Roja Argentina, CP X5016ZAA, Crdoba, Argentina [email protected], [email protected],
Resumen Durante muchos aos, msicos y personas afines a la msica han expresado su preferencia con respecto a preamplificadores realizados con vlvulas termoinicas, argumentando calidad de sonido en desmedro de los equipos basados en tecnologa de estado slido. En el presente trabajo se realiza un anlisis terico y una
simulacin que permita explicar esta predileccin. Se elabora una comparacin centrada en el comportamiento de
los dispositivos semiconductores BJT y las vlvulas triodo en un circuito preamplificador clase A, analizando la
distorsin armnica presente en la seal de salida y su efecto en el oyente. Finalmente se disea y simula en un
entorno de laboratorio virtual una etapa preamplificadora basada en cada dispositivo y se analizan los resultados
segn lo expuesto.
1. INTRODUCCIN
Las ventajas y desventajas de cada dispositivo
dependen de los requerimientos del circuito y las
diversas condiciones de operacin. stas son las que
deben regir la eleccin para una aplicacin particular.
En el rea de audio musical es comn escuchar las
preferencias sobre un preamplificador valvular en
lugar de uno transistorizado. Sin embargo, esta
eleccin pareciera basarse en una cuestin subjetiva
por parte de los msicos.
En este trabajo, se realiza un estudio comparativo
de ambos dispositivos con motivo de intentar
identificar cules son las caractersticas tcnicas u
operacionales, es decir, cuales son las
particularidades que presentan en los circuitos y
llevan a que sean utilizados en preamplificadores de
audio. Adems se lleva a cabo el diseo de una etapa
preamplificadora para cada dispositivo, con el objeto
de hacer un anlisis del desempeo de los mismos
bajo distintas condiciones.
2. CARACTERSTICAS GENERALES
Las vlvulas fueron los primeros dispositivos
electrnicos activos utilizados hasta la aparicin de
los transistores BJT, debido al menor tamao (y
peso), menor temperatura de funcionamiento y la
capacidad de desempear las mismas funciones que
las primeras. Sin embargo, no han sido reemplazadas
en su totalidad en lo que respecta a audio de altas
prestaciones, algo que podra suponerse ya que desde
el punto de vista de los fabricantes los transistores
son la mejor opcin.
Haciendo una comparacin general de ambos
dispositivos, vlvula triodo y transistor bipolar, sin
tener en cuenta las dimensiones fsicas:
La vlvula presenta una menor ganancia con respecto al transistor.
La impedancia de entrada de la vlvula es ms alta y presenta una capacidad de entrada menor
que la del transistor.
Los transistores son dispositivos controlados por corriente mientras que las vlvulas son
controladas por tensin.
3. DISTORSIN
No existe una diferencia significativa entre
vlvulas y transistores cuando hablamos de respuesta
en frecuencia y ruidos. Sin embargo, si sobrecarga-
mos la seal de entrada del amplificador la distorsin
de la seal de salida es diferente en un caso y en el
otro.
La distorsin en una seal consiste en la
deformacin de la misma a causa de una transferencia
no lineal, produciendo efectos que son claramente
audibles. En un dispositivo pueden producirse dos
tipos de distorsin: la distorsin armnica y la
distorsin por intermodulacin. Algunas de estas
distorsiones suelen ser agradables al odo humano, el
cual es interpretado como el agregado de brillo al
timbre de la seal de audio, por lo que son muy
demandadas [1].
Figura 1: Distorsin en un amplificador [1].
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En la Figura 1, se observa que producto de la
transferencia no lineal que presentan los
amplificadores cuando una entrada senoidal se
deforma, causando distorsin a la salida. En la grfica
de salida se compara la seal distorsionada con la
seal no distorsionada [1].
Un hecho interesante es que la distorsin que
introducen las vlvulas es ms favorable que la
producida por los transistores, razn por la cual
existen muchos amplificadores valvulares [1].
3.1. Distorsin por amplitud.
Todos los sistemas reales tienen no linealidades y
por ello todos producen distorsin armnica.
Dos factores que pueden producir distorsin
armnica en una seal aplicada a una etapa
amplificadora valvular son: la tensin de polarizacin
de control de la grilla y la amplitud de la seal de
entrada aplicada. En la Figura 2 podemos observar
que para evitar deformaciones de la seal de entrada
debemos hacer una correcta eleccin de la tensin de
grilla [2].
Figura 2: Distorsin debido a la polarizacin
de la tensin de grilla.
Como se indica en la Figura 3, la distorsin
armnica tambin puede producirse an disponiendo
de una correcta polarizacin, cuando el voltaje de la
seal aplicada es lo suficientemente grande como
para llevar la tensin de grilla a las reas de corte y
saturacin. En la regin de saturacin, el pico de la
seal de salida es aplanada (overdrive). En la regin
negativa, el flujo de corriente se reduce cerca del
valor de corte [2].
Figura 3: Distorsin debido a la saturacin de la entrada.
3.2. Significado de los armnicos en la msica
La determinacin de cmo estn relacionados los
armnicos con la audicin entra en un paralelismo
entre la distorsin electrnica y la coloracin del tono
musical. Sin duda alguna, el mejor conocedor sobre
esta situacin en particular sea un artesano de la
msica. A travs de los aos, estos artesanos han
determinado cmo se relacionan los diferentes
armnicos a la coloracin, constituyendo la calidad
tonal de un instrumento [2].
La caracterstica tonal principal de un instrumento
se determina por la intensidad de los primeros
armnicos. Cada uno de estos armnicos produce su
propio efecto caracterstico cuando es dominante o se
puede modificar el mismo cuando otra armnica tiene
una amplitud importante. Podemos dividir a los
primeros armnicos en dos grupos tonales. Los
armnicos pares (segundo, cuarto y sexto) que crean
una sensacin de mayor vivacidad y el segundo grupo
los armnicos impares (tercero y quinto) que tienden
a lo contrario. El segundo armnico crea una
sensacin de mayor sonoridad. El tercero tiende a
debilitar el sonido, una combinacin del segundo y el
tercero tiende a anular los efectos del tercero y
refuerza el sonido [2].
La segunda y tercera armnicas son las ms
importantes desde el punto de vista grfico de la
distorsin electrnica, como se ver ms adelante.
Musicalmente la segunda armnica se encuentra una
octava por encima de la fundamental y es casi
inaudible, sin embargo, le da cuerpo al sonido.
3.3. Vlvulas vs. Transistores
- Caractersticas de la Vlvula En la Figura 4 se muestra la distorsin armnica
de un amplificador de dos etapas 12AY7. La
principal caracterstica es el predominio de la
segunda armnica, seguido muy de cerca por la
tercera armnica. La cuarta armnica se eleva 3 o 4
dB ms tarde, siguiendo en forma paralela a la tercera
armnica. La quinta, sexta y sptima armnica
permanecen por debajo del 5% del punto de 12 dB.
Figura 4: Componentes de la distorsin de un tpico
amplificador de dos etapas 12AY7
La Figura 5 exhibe la forma de onda de la seal
de salida con una sobrecarga de 12 dB. Se observa
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que el recorte es asimtrico. Esta es una caracterstica
de cualquier tipo de amplificador con vlvulas.
Figura 5: Forma de onda del amplificador valvular con
sobrecarga de 12 dB y un tono de 1000 Hz.
- Caractersticas del Transistor Bipolar La Figura 6 presenta la distorsin armnica de un
amplificador a transistores. Lo que ms sobresale es
la componente de tercera armnica. Todas las otras
armnicas estn presentes, pero con una amplitud
mucho menor que la tercera.
Cuando la sobrecarga llega a un determinado
punto, las armnicas ms altas aumentan de forma
simultnea.
Figura 6: Componentes de la distorsin de amplificador a
transistores
La forma de onda obtenida a la salida de este
amplificador ser simtrica y aproximadamente
cuadrada, como muestra la Figura 7.
Figura 7: Forma de onda del amplificador a transistores
con sobrecarga de 12 dB y un tono de 1000 Hz
4. DISEO Y SIMULACIN
Para verificar algunas de las caractersticas
enunciadas a lo largo del texto, se procede a disear
dos etapas amplificadoras: una cuyo componente
activo es una vlvula de vaco, y otra realizada en
base a un transistor bipolar. Ambas tendrn una
ganancia de tensin de 60 veces (35,5dB) en un
ancho de banda 15 Hz a 50000 Hz (+/-1dB).
4.1. Etapa preamplificadora valvular
La vlvula seleccionada para el diseo de esta
etapa fue el doble trodo 12AX7, de General Electric,
utilizando una sola seccin en ctodo comn. De
acuerdo a la hoja de datos del fabricante [3], se eligen
las siguientes condiciones:
Tensin de alimentacin Ebb=300V
Punto de trabajo: Ib=1.5mA, Vp=150V
Resistencia de grilla Rg=100K
Se ingresa en la curva caracterstica de nodo con
el punto de funcionamiento esttico y se obtiene el
potencial de rejilla Vg= -0.8V.
Figura 8: Curva caracterstica de nodo de la vlvula
12AX7 de GE.
Con este valor es posible calcular la resistencia de
ctodo Rk:
5603.5335.1
8.0
mA
V
Ip
VgRK (1)
Solo resta calcular la resistencia de nodo Rp para
finalizar la polarizacin del dispositivo. Analizando
la malla de salida y despejando:
)560( RpIpVpEbb (2)
KIp
VpEbbRp 10044.99560 (3)
Analizando el modelo incremental lineal de una
vlvula polarizada en ctodo comn [4] se puede
calcular la resistencia de carga RL para la ganancia
dada.
Figura 9. Circuito equivalente en CA del amplificador
ctodo comn.
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La ganancia de tensin de este circuito es:
LP
LPPS
O
V RRRRre
eA //
// (4)
Despejando el valor del paralelo RP//RL:
)1(
//V
P
V
LP A
rA
RR (5)
Para resolver la ecuacin es necesario conocer los
parmetros incrementales del trodo para el punto de
trabajo dado. Ingresando el mismo en la curva
especificada se obtiene una resistencia incremental de
placa rP=57K y un factor de amplificacin =100.
Figura 10: Curva de parmetros incrementales de la vlvula
12AX7 de GE.
Reemplazando en (5), el valor del paralelo resulta
RP//RL=85.5K. Se despeja RL:
KK
Rp
K
KRL 5606.5895.85
1
5.85 (6)
La frecuencia de corte inferior est dada por el
valor del capacitor de ctodo y la resistencia
equivalente a sus extremos [5].
558
)560//10057//(560
)////(
eq
eq
LPPEeq
R
KKKR
RRrRR
(7)
uFuFRf
CeqL
K 22192
1 (8)
Para los capacitores de acople Ci y Co se utiliza el
mismo razonamiento, con la diferencia que se toma fL
una dcada menor.
nFnFRf
CeqL
o 1809.1772
1 (9)
uFRf
CeqL
i 12
1 (10)
El circuito final se muestra en la Figura 11.
Figura 11: Esquemtico preamplificador valvular.
4.2. Etapa preamplificadora transistorizada
Para el diseo de esta etapa fue seleccionado el
transistor BC548A, de Motorola, utilizado como
amplificador en emisor comn. De acuerdo a la hoja
de datos del fabricante [6], se eligen las siguientes
condiciones:
Tensin de alimentacin VCC=12V
Punto de trabajo: ICQ=2mA, VCEQ=5V
Resistencia de emisor RE=470
=hfe=160
Planteando la ecuacin de la malla de salida se
obtiene RC:
)( EC RRIcqVceqVcc (11)
KRIcq
VceqVccR EC 33030 (12)
Luego se fija Rb y despejan las resistencias de
polarizacin de base:
752010
ERRb (13)
VVRRb
IcqVbb E 68.165,0)( (14)
KK
Vcc
Vbb
RbR 1.974.8
11
(15)
KKRbVbb
VccR 566.532 (16)
El ltimo paso es establecer el valor de la
resistencia de carga RL para la ganancia dada y
seleccionar el valor de los capacitores. Para ello se
plantea el circuito equivalente de CA del
amplificador emisor comn.
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Figura 12. Circuito equivalente en CA del
amplificador emisor comn.
La ganancia de tensin de este circuito es:
LC
S
O
V RRhie
hfe
e
eA // (17)
Despejando el valor del paralelo RC//RL:
750160
2000*60//
hfe
hieARR VLC (18)
K
R
R
C
L 17501
750 (19)
El valor del capacitor de desacople de emisor se
relaciona con la frecuencia de corte inferior por:
uFuFRf
CeqL
E 4703732
1 (20)
Para los capacitores de acople Ci y Co se utiliza el
mismo razonamiento, con fL una dcada menor.
uFuFRf
CeqL
o 335.262
1 (21)
uFuFRf
CeqL
i 100672
1 (22)
El circuito final se muestra en la Figura 13.
Figura 13: Esquemtico preamplificador transistorizado.
5. RESULTADOS DE LA SIMULACIN
Las simulaciones fueron realizadas en el
laboratorio virtual Multisim 10.0 de la firma National
Instruments, utilizando los instrumentos Bode Plotter
(medicin de respuesta en frecuencia), Distortion
Analyzer (medicin de THD) y Spectrum Analyzer
(medicin del espectro).
5.1. Respuesta en frecuencia
Tanto en el preamplificador valvular como en el
transistorizado la respuesta en frecuencia es total-
mente plana para el ancho de banda propuesto y con
la ganancia calculada. En la prctica es posible
adicionar un filtro pasa altos para elegir la frecuencia
de corte superior, ya que en el diseo propuesto est
dada por las capacidades intrnsecas de los elementos
activos y se ubica en frecuencias del orden de varios
MHz, pudiendo ocasionar problemas como interfe-
rencias de RF, etc.
Figura 14: Respuesta en frecuencia preamplificador
valvular, fL= 4,75 Hz, AV = 35,01 dB.
Figura 15: Respuesta en frecuencia preamplificador
transistorizado, fL= 17,52 Hz, AV = 35,10 dB.
5.2. Distorsin armnica
Para realizar la comparacin entre ambos
circuitos se aplic una seal de 1KHz a la entrada de
tal manera que se pueda analizar la distorsin
presente a la salida para pequea seal y para gran
seal (-70dBm y -10dBm de nivel de salida,
respectivamente).
Para una potencia de salida de -70dBm, ambos
preamplificadores se comportan de forma casi ideal
con niveles muy bajos de distorsin armnica total.
Figura 16: Espectro de frecuencia preamplificador valvular,
THD = 0,001 %.
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Figura 17: Espectro de frecuencia preamplificador
transistorizado, THD = 0,005 %.
Para una potencia de salida de -10dBm, la
situacin es muy distinta. En el circuito valvular, la
forma de onda prcticamente no se ha deformado. Sin
embargo, el anlisis espectral expone las compo-
nentes armnicas presentes. La segunda armnica
aparece con un nivel 45 dB por debajo de la
fundamental, y 45 dB por encima de la tercera
armnica.
Figura 18: Espectro de frecuencia preamplificador valvular,
THD = 0,238 %.
Por otro lado, en el circuito a transistor la
segunda armnica aparece con un nivel slo 20dB
por debajo de la fundamental, y la tercera y cuarta
armnica tambin estn separadas por 20dB.
Figura 19: Espectro de frecuencia preamplificador
transistorizado, THD = 5,513 %.
5.3. Distorsin por intermodulacin
Esta prueba se realiz empleando el mtodo CCIF
[7], inyectando como seales de prueba dos tonos
sinusoidales de 19 kHz y 20 kHz, cuya amplitud sea
tal que la potencia a la salida de la etapa
amplificadora sea de -35 dBm.
En el preamplificador transistorizado, se encontr
el producto de intermodulacin f2-f1. La distorsin
medida fue 4,5 %, 19 kHz / 20 kHz, 1:1.
Figura 19: Espectro de frecuencia preamplificador
transistorizado.
En el preamplificador valvular, se encontr una
amplia gama de productos de intermodulacin en el
ancho de banda estudiado, aunque sus valores eran
relativamente poco importantes. La distorsin medida
fue de 0,2%, 19 kHz/20 kHz, 1:1.
Figura 20: Espectro de frecuencia preamplificador valvular.
6. CONCLUSIONES
Todo amplificador produce una distorsin de la
seal original cuando es transferida de la entrada
hacia la salida. El grado de distorsin que se origina
en una etapa preamplificadora compuesta por
vlvulas es menor que el producido con una etapa a
transistores, ambas polarizadas adecuadamente. Sin
embargo, este valor no es lo que se juzga cuando los
msicos expresan que un equipo tiene mayor coloracin. Podemos concluir, frente a la ausencia de una fundamentacin terica contundente, que la
caracterstica deseada est dada por la combinacin
de armnicos, y al ser dicha sensacin una cuestin
subjetiva es difcil establecer algn parmetro al
respecto.
La inclinacin hacia la tecnologa valvular tiene
aqu su razn principal producto de la generacin de
armnicos, pares e impares, con mayor predominio
de los pares, y sta es la caracterstica objetiva sobre
dicha preferencia. Psicoacsticamente, es interpretada
por cada persona en particular.
Es importante agregar que el trabajo fue centrado
en las caractersticas de etapas preamplificadoras. En
los circuitos amplificadores completos estas
caractersticas se ven alteradas (reforzadas o
modificadas) por otros factores, tales como el
acoplamiento de etapas en cascada, el efecto de la
realimentacin entre las mismas, el uso de
transformadores adaptadores de impedancias, etc. que
necesitaran un informe de mayor extensin para ser
analizados.
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7. REFERENCIAS
[1] Miyara F. Acstica y Sistemas de Sonido. UNR Editora. Argentina. 2004.
[2] Hamm R. Tubes versus Transistors Is There an Audible Difference?. Proceeding of 43th Convention of Audio Engineering Society, New
York, 14 September 1972.
[3] Hawkings J. N. A. Harmonic and Intermodula-tion Distortion. 1988 [4] General Electric 12AX7 Twin Triode, Descrip-tion and Rating [5] Angelo E. J. Circuitos Electrnicos. Ediciones del Castillo. Madrid. 1965.
[6] Malvino A.P. Principios de Electrnica. Interamericana de Espaa. Madrid. 2000.
[7] Motorola. Amplifier Transistors BC548, NPN Silicon. [8] Bohn D. Audio Specifications, Aplication Note N 145. Rane Corporation. 2000.
8. DATOS BIOGRFICOS
Nicolas A. Masera, nacido en Villa del Rosario,
Provincia de Crdoba, el 20/01/1988. Estudiante de
ingeniera en electrnica, Universidad Tecnolgica
Nacional, Facultad Regional Crdoba, Argentina. Sus
intereses son: microcontroladores, electrnica del
automotor y sistemas de audio.
E-mail: [email protected]
Juan I. Morales, nacido en Chacabuco, Buenos
Aires, el 12/07/1988. Estudiante de ingeniera en
electrnica, Universidad Tecnolgica Nacional,
Facultad Regional Crdoba, Argentina. Actualmente
es becario de servicios en el Laboratorio de
Comunicaciones del Dpto. de Ingeniera Electrnica,
Universidad Tecnolgica Nacional, Facultad
Regional Crdoba. Sus intereses son: electroacstica,
procesadores de audio y sistemas de sonido.
E-mail: [email protected]
Ana M. Moreno, nacido en V. Ojo de Agua,
Santiago del Estero, el 31/08/1988. Estudiante de
ingeniera en electrnica, Universidad Tecnolgica
Nacional, Facultad Regional Crdoba, Argentina. Sus
intereses son: electroacstica, bioelectrnica, elec-
trnica digital.
E-mail: [email protected]