Electrónica de Audiofrecuencia: Principios, Amplificación y Procesamiento de Señal
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Características de la Señal de Audiofrecuencia
El sonido se difunde por el medio debido a la vibración molecular que se propaga de molécula a molécula, realizando un transporte de energía, pero no de materia. Estas vibraciones provocan variaciones de presión que detecta el tímpano. Este comienza a vibrar y su vibración se transmite a través del oído interno hasta el órgano receptor auditivo, donde se transforma en un impulso nervioso para llegar al cerebro y proceder a su interpretación.
La intensidad de un sonido es la cantidad de energía que, por unidad de tiempo, alcanza la unidad de superficie colocada perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda sonora.
Al sonido que es creado por una fuente sonora de una única frecuencia se le llama tono puro. El timbre es debido al contenido distinto de armónicos.
Equipos Amplificadores de Audiofrecuencia
Los amplificadores de audiofrecuencia son circuitos multietapa diseñados con transistores, amplificadores operacionales o circuitos integrados específicos, destinados a la amplificación de la señal de audio. Un equipo de sonido está compuesto por una primera etapa preamplificadora. Los circuitos preamplificadores constan de varias etapas y deben ser de alta calidad.
Preamplificadores con Transistores
Existen varios modelos de preamplificadores con transistores. A continuación, se presenta el más estable frente a las variaciones de temperatura, con un diseño en Clase A de continua. Este se contrastará con la recta de carga dinámica para poder obtener la máxima señal de entrada sin distorsión.
Para aplicaciones de audio, la configuración más usual es la de emisor común. La configuración en colector común solo se utiliza para adaptar impedancias.
Amplificadores de Potencia
La membrana de un altavoz se mueve según el paso de una corriente eléctrica, la cual crea un campo magnético. Esta membrana es grande si el altavoz es de potencia y crea una presión acústica sobre su entorno. Para que todo esto se produzca, se necesita una corriente elevada por la bobina del altavoz, lo que hace surgir la necesidad de una amplificación de corriente para poder actuar sobre el medio.
Amplificador Clase B
El amplificador Clase B utiliza dos transformadores y dos transistores, donde la señal es amplificada por separado.
Condiciones de Diseño:
- Datos: Impedancia del altavoz (RL), máxima potencia deseada en el altavoz, relación de transformación de T1 y T2.
Rendimiento del Amplificador:
Es la relación entre la potencia suministrada por la fuente y la disipada por la carga, alcanzando aproximadamente un 78% de rendimiento.
Problema Principal:
Debido a la tensión base-emisor, para que cada transistor conduzca, debe tener polarizada la unión base-emisor. Esto provoca que no comience a conducir en el momento exacto en que comienza el semiperiodo, lo que genera una distorsión de cruce.
Amplificador Clase AB
El amplificador Clase AB evita la distorsión de cruce y ofrece prácticamente el mismo rendimiento que el amplificador Clase B. En esta configuración, los transistores conducen sin señal, pero con una corriente muy pequeña (polarización de reposo). Al estar siempre conduciendo y no entrar en corte total, se soluciona el problema de la distorsión de cruce.
Diseño y Datos Requeridos:
- Impedancia del altavoz.
- Potencia deseada en la carga.
Red de Zobel
La Red de Zobel se utiliza para compensar la inductancia (L) del altavoz. Al diseñar un altavoz, se efectúa un bobinado para crear un campo magnético al paso de la corriente eléctrica. Este bobinado tiene una resistencia determinada, pero también posee una inductancia. La parte inductiva puede crear oscilaciones indeseadas en el amplificador, y la red de Zobel ayuda a mitigar este efecto.
Mezcladores de Señal (Circuitos Sumadores)
Si se desean mezclar varias señales de baja frecuencia procedentes de distintas fuentes, se necesita un circuito que combine dichas señales. Este tipo de circuito se conoce como circuito sumador o mezclador.
Filtros de Audio
Los filtros permiten el paso de determinadas frecuencias y atenúan otras. Para aplicaciones de audio, los más utilizados son los de primer y segundo orden. Los filtros de primer orden se emplean en la realización de pequeños controles de tonos, pero no son los más indicados para una selectividad precisa. Los de segundo orden son más selectivos y son los que normalmente se utilizan en sistemas de audio de calidad.
Clases de Filtros Activos de Segundo Orden:
- Filtro Activo Paso Bajo de Segundo Orden: Permite el paso de las señales cuyas frecuencias sean inferiores a la frecuencia de corte (fc).
- Filtro Activo Paso Alto de Segundo Orden: Permite el paso de las señales cuyas frecuencias sean superiores a la frecuencia de corte (fc).
- Filtro Activo Paso Banda de Segundo Orden: Permite el paso de un rango específico de frecuencias, comprendidas entre una frecuencia de corte inferior y otra superior.