Distorsión parte 2 de .....?

Distorsión armónica

La distorsión armónica es un comportamiento no lineal que ocurre no solo en el mundo de la electrónica, sino también entre los fenómenos acústicos. Este comportamiento se caracteriza por los múltiplos de la (s) señal (es) de entrada que no estaban presentes en la forma de onda de entrada original. Comúnmente abreviado como HD, un armónico es una señal adicional cuya frecuencia es un número entero integral múltiple de la frecuencia de una señal de referencia fundamental (entrada).

Los armónicos pueden estar ordenados de manera uniforme e impar, y con frecuencia cubren un gran ancho de banda ascendente. Para una señal cuya frecuencia fundamental se denomina f1, el segundo armónico tendría una frecuencia dos veces más alta, es decir: dos veces f1. Un tercer armónico tendría una frecuencia tres veces más alta que f1, y así sucesivamente. Esto se puede demostrar comenzando con una señal de 1000 ciclos por segundo que pasa (1kHz). El segundo y tercer armónicos para este fundamental serían 2kHz y 3kHz. Si la señal es compleja y se compone de una multitud de fundamentos, también puede haber armónicos para todos y cada uno. Las órdenes de armónicos más altas incluyen los armónicos 4, 6 y 8, y las órdenes impares más altas incluyen los armónicos 5, 7 y 9.

A medida que el espectro armónico se enriquece con nuevos armónicos, la forma de onda adquiere un aspecto más complejo, lo que indica una mayor desviación del original ideal. Un espectro armónico ordenado y de alto nivel puede oscurecer completamente la señal de entrada deseada. En el caso de que dicha entrada sea sinusoidal, puede distorsionar efectivamente la señal, haciendo que la forma de onda sea irreconocible. De esta manera, sería importante controlar, si no minimizar, la intensidad relativa de tales distorsiones.

En la industria electrónica consumista, es raro ver la distorsión armónica presentada de una manera que identifique individualmente cada armónico. La medida estandarizada de la distorsión en la electrónica es la distorsión armónica total, que utiliza una expresión numérica única basada en señales de forma de onda sinuosa de estado estable de acuerdo con las normas IHF. A menudo abreviado como THD, es el total sumado de todos los armónicos relevantes expresados ​​como un porcentaje logarítmico de la magnitud de la señal total. Mientras que los espectros armónicos tienen una gran importancia durante el diseño, THD proporciona una referencia rápida a los niveles máximos de distorsión armónica. La clasificación THD de un amplificador de potencia, u otro dispositivo, se refiere a la creación de armónicos no deseados por el dispositivo durante el modo previsto y más lineal de operación.

Las distorsiones armónicas de segundo y tercer orden son los tipos más comunes que ocurren naturalmente en las etapas de amplificación de la señal. También son típicamente los más altos en magnitud. Esto se aplica tanto a las tecnologías de estado sólido como a las de valvulas de vacio, y se encuentran entre las formas de comportamiento no lineal más fácilmente modeladas. Los circuitos de soporte dentro de una etapa de amplificación se pueden adaptar para reducir, mejorar o modificar los órdenes secuenciales de distorsión armónica, siendo los armónicos de segundo orden los más fáciles de reducir a niveles extremadamente bajos.

Dos distinciones de armónicos de segunda orden.
Dependiendo de la fase de un armónico de segundo orden, puede imponer efectos variables en la señal original. Si el armónico está en fase, puede inclinar la forma de onda al agudizar las pendientes positivas de 0-90 grados y 180-270 grados mientras aplana los puntos a 90-180 grados y 270-360 grados de cada ciclo. Si el armónico está fuera de fase con la señal, puede producir una forma de onda inclinada de manera opuesta. Si el armónico está desfasado 90 grados, puede redondearse una mitad mientras que la otra se agudiza, . Estos son efectos muy diferentes que han recibido muy poca discusión en la opinión pública.

Durante varias décadas, se ha aceptado más o menos que el segundo orden puede ser la distorsión más tolerable para el sistema auditivo humano. Los últimos años han traído el concepto  que incluso los armónicos ordenados se perciben como un mejor sonido en cuestión. Junto con esta creencia pasada, uno de los dispositivos de estado sólido produjo el espectro más pronunciado de contenido armónico de alto orden. Las mediciones validan que tales afirmaciones son erróneas y bastante contrarias. De hecho, el estado vacío produce típicamente los niveles más altos de contenido de alto orden, tanto par como impar. Si el objetivo es bajo o distorsión armónica adaptada, es muy alcanzable. Lo que es importante, si esos armónicos de tercer orden ahora se están viendo desde otra perspectiva. Bajo ciertas condiciones, pueden interpretarse como igualmente aceptables para escuchar, y en ocasiones incluso más. Además, casi todas las unidades de control de altavoz de fibra de carbono, altavoces electrostáticos y muchos amplificadores de tetrodo y pentodo exhiben principalmente armónicos ordenados en tercer lugar. Tomemos un momento para investigar más a fondo este orden de armónicos.


La distorsión armónica de tercer orden es algo única, porque es un orden que puede descomponer y acentuar la función periódica de una forma de onda con un simple cambio de fase. Por lo tanto, crea un nuevo perfil hiperbólico o parabólico a partir de la diferencia aparente de las dos formas de onda. Hace varios años, encontramos que, en un escenario céntrico donde un armónico de tercer orden comienza como un evento con el mismo punto y aún está desfasado con un tono fundamental, los efectos hiperbólicos no actuaron para aplanar las crestas de la señal. Los resultados se parecen mucho a los de armónico de segundo orden. Más tarde, se emitieron varias clasificaciones de suborden a distorsiones armónicas tangenciales de tercer orden, solo.

Sobre esta base, fue posible crear una serie de amplificadores con magnitudes iguales de armónicos de tercer orden que miden lo mismo en las pruebas de FFT, pero que suenan diferentes entre sí. Esto podría lograrse alterando la secuencia de las relaciones de fase seno y coseno entre la señal fundamental a amplificar y la de la fuente del nuevo múltiplo armónico.

Las distorsiones armónicas de orden superior pueden ser pareadas o impares. Cuando no tienen una correlación inmediata con la intención de las señales primarias, generalmente se consideran indeseables en el alcance de la reproducción de audio. Estos tienden a ser bastante bajos en amplitud dentro de los diseños de estado sólido. Sin embargo, pueden ser pronunciados en circuitos de estado de valvulas termohionicas, en algunos casos descendiendo solo treinta y cinco decibelios en el décimo orden. En otras palabras, pueden ser audibles. Esto no es para afirmar ninguna supuesta superioridad de uno sobre el otro, sino para aclarar la naturaleza de su comportamiento.

Excesiva distorsión armónica de tercer orden. .Excesiva distorsión armónica de tercer orden y distorsión por modulación de amplitud.
Lo importante de la distorsión armónica de orden superior es que, cuando se le ha permitido alcanzar magnitudes elevadas, la forma de onda sinusoidal original se convierte gradualmente en un perfil de onda casi cuadrado. Una forma de onda cuadrada real nunca se producirá en la reproducción de audio normal a menos que el amplificador las reproduzca, pero los efectos son importantes. Es raro que se produzcan armónicos más altos solos, y esos efectos se pueden combinar para aplanar la cresta de una señal sinusoidal suave y redonda. Además, la variación de la magnitud de cada orden puede producir formas de onda que tienen una forma de diente de sierra o triangular. Algunos tipos de distorsión permanecen dentro de un orden específico y, sin embargo, se modulan en amplitud en la frecuencia primaria, . Estos comportamientos estocásticos parecen ambiguos dentro del alcance de la mayoría de las pruebas de FFT convencionales realizadas por analizadores de distorsión convencionales. Sin embargo, posiblemente por primera vez en el dominio público, no son lo mismo, y requieren que el evaluador se dé cuenta de esto.



Distorsión de cruce

Otra fuente de distorsión armónica se llama distorsión cruzada. Para comprender completamente la fuente, es imperativo que se desambiguen brevemente tres clasificaciones de amplificadores para mayor claridad. Existen varias clasificaciones alfabéticas para el funcionamiento de los amplificadores, y se relacionan con los requisitos y métodos de polarización de los dispositivos de amplificación activos. La desviación de los dispositivos activos los aleja más de su región de encendido inicial y más a lo largo de sus curvas de transconductancia en su modo de operación lineal. Para la reproducción de audio, la mayor parte de los amplificadores serán de las variedades de emisor común y cátodo de operación de transimpedancia.

Clasificación Los amplificadores A pueden usar un solo dispositivo, o sus múltiplos en paralelo, para conducir los 360 grados completos de una forma de onda de audio. También se pueden construir utilizando pares de dispositivos complementarios en numeros pares. En cualquiera de estos casos, están desviados en el punto central de su línea de carga a un nivel que es la mitad del máximo de oscilación de señal previsto, conocido como el punto Q. Esto se hace para permitir la reproducción de la señal de corriente directa e inversa simétrica.

Los amplificadores de clasificación B esencialmente siempre usan cantidades pares de dispositivos complementarios, uno de ellos reproduce la mitad positiva y el otro la mitad negativa de la forma de onda. Cuando uno está reproduciendo la mitad de la forma de onda, el otro está completamente apagado y deja de conducir. Este tipo de amplificador no está sesgado y, por lo general, no está diseñado para la reproducción de audio.

Los amplificadores de clase AB emplean dispositivos de número par como los tipos de Clasificación B. Sin embargo, AB diseña la polarización de los dispositivos a lo largo de la línea de carga en una posición que está por encima de la "región de cruce" donde cada dispositivo se encuentra a 0, 180, 360 grados, pero la polarización permanece por debajo del centro de la línea de carga. Este estado de alimentación constante hace que cada mitad del par complementario se conduzca por menos de 360 ​​grados, pero más de 180 grados (la mitad del ciclo completo), trabajando para reducir e incluso eliminar los transitorios de conmutación. Estos amplificadores no tienen que estar sesgados cerca de la mitad del máximo de oscilación de la señal, ya que el punto de fusión de sesgo entre ambos dispositivos forma este punto. Aun así, algunos amplificadores de Clase AB pueden tener una polarización lo suficientemente alta como para funcionar en la Clase A.

Distorsión de cruce asimétrica.
Si bien aún no está claro, la distorsión cruzada solo puede ocurrir cuando las formas de onda y las señales se reproducen en los niveles actuales mayores que la polarización inactiva de un amplificador que usa dispositivos complementarios. Cuando se descompone a su mínimo común denominador, solo puede existir donde hay una transición o "cruce" entre dos dispositivos de amplificación activos, como en la Clasificación B y los amplificadores AB. La distorsión cruzada se cuantifica como un componente de distorsión armónica estacionaria que permanece en un nivel y frecuencia constantes, independientemente del nivel de entrada y las frecuencias de la señal. La naturaleza constante de esta contribución armónica significa que las señales de audio de nivel inferior podrían distorsionarse más que las más grandes, en función de las proporciones. En perspectiva, la primera centésima parte de un vatio puede estar muy distorsionada, mientras que la milésima de un vatio es ejemplar. Sin embargo, la distorsión cruzada no puede existir en los rangos de potencia inferiores o iguales al valor de polarización inactiva.

Las regiones de menor voltaje de algunos dispositivos más antiguos mostraron grados no lineales. Como tal, si la tensión y la corriente de polarización fueran demasiado bajas en uso, entonces, cuando la señal cruzó los puntos de potencial de voltaje cero de 0, 180 y 360 grados, se podría introducir una distorsión cruzada en la señal. Esto se conoció como el sonido de estado sólido de esa época, aunque era igual de prominente en los diseños de valvulas que estaban sesgados por igual. Los dispositivos que datan de los años setenta habrían requerido valores de reposo exponencialmente más altos y aún así nunca hubieran alcanzado la linealidad sin precedentes disponible solo una década después. Muy pocas compañías de audio proporcionaron resultados de distorsión armónica a niveles de potencia muy bajos, y esto ocultó la magnitud de la distorsión cruzada que estaba presente. Una empresa que sería la excepción y que merecía un reconocimiento por sus esfuerzos, sería Yamaha Corporation, Japón. Trabajando con Toshiba Semiconductors, los ingenieros de Yamaha escribieron literalmente los libros sobre la medición de la distorsión y cómo minimizar sus efectos en niveles bajos, altos y todos los niveles intermedios.

Hoy en día, los semiconductores y los dispositivos activos se han beneficiado de décadas de investigación electroquímica y física. Es debido al trabajo arduo puesto en lo teórico y físico, que la distorsión cruzada entre los amplificadores de clasificación AB ahora no es un problema cuando se controla adecuadamente. Para muchos semiconductores modernos, esta región lineal de transconductancia se logra con voltajes y corrientes relativamente pequeños, y la polarización elimina completamente la distorsión de cruce. Como tales, los amplificadores de Clase AB diseñados de manera competente son capaces de ofrecer un rendimiento realmente excelente, mientras que los que no lo tienen, no lo son.

La mayoría de los amplificadores emplean potenciómetros para permitir el ajuste de los puntos de polarización del pre-controlador de voltaje del amplificador y las etapas de salida. Estos controles resistivos con tomas centrales permiten al usuario ubicar el equilibrio práctico entre la distorsión y el gasto de energía, pero se debe tener cuidado de que la corriente de reposo no sea ni demasiado baja ni demasiado alta. Existe un amplio rango donde el nivel de polarización puede residir con seguridad, pero un nivel demasiado bajo permitirá que los dispositivos se apaguen, lo que impone una variedad de transitorios agudos en su salida. Si la desviación es demasiado alta, podría dar lugar a una falla prematura de los dispositivos, o aumentar el ruido de inducción de la fuente de alimentación asociada. Algunos diseños cuentan con polarización automática que aumenta en pasos con el nivel de salida. Un número muy limitado de diseños de tecnología de primer nivel puede incluso alterar dinámicamente el sesgo de acuerdo con la demanda de la señal.

Distorsión de intermodulación

La distorsión por intermodulación es otro comportamiento no lineal que se puede encontrar dentro de la electrónica y las etapas de amplificación. Abreviado como IMD, esta distorsión se caracteriza por la aparición de una forma de onda de salida que transporta bandas de frecuencias de emisión secundarias, todas iguales a las sumas y diferencias de los múltiplos integrales de dos o más frecuencias que comprenden la señal de entrada original. Por más complejo que parezca, una vez que se tiene una comprensión firme de los orígenes y la naturaleza de la distorsión, se dan cuenta de que no es tan confuso. La diferencia principal entre el IMD y la distorsión armónica es que dos o más frecuencias diferentes deben estar presentes activamente para producir la distorsión de intermodulación. Esto es diferente a la naturaleza de la distorsión armónica, que necesita una sola frecuencia para estar presente. Además de esto, es posible que los productos de distorsión por intermodulación no siempre estén relacionados armónicamente con las frecuencias originales.

Cuando un dispositivo bajo prueba es sometido a señales congruentes, es decir, que hay más de una señal al mismo tiempo, las no linealidades inherentes a ese dispositivo producirán un contenido de señal adicional en frecuencias distintas a las presentes en la entrada. Anteriormente hemos cubierto cómo un amplificador puede producir distorsiones armónicas uniformes e impares, siendo cada uno un múltiplo integral de la señal fundamental. Además, la distorsión por intermodulación se manifiesta como emisiones de segundo orden y de tercer orden en cada combinación de productos de primer orden y de segundo orden, que no están relacionados con la señal original. Además de los armónicos, pueden aparecer productos de distorsión subarmónica de segundo orden ampliamente difundidos por debajo de las señales primarias.



Dos de los productos de distorsión más desafiantes en las pruebas IMD son el contenido de señal adicional formado debido a la distorsión de tercer orden que se produce directamente adyacente a los dos tonos de entrada. Con respecto a las señales moduladas, es decir, en dos o más señales mixtas con una o más siguiendo un patrón de amplitud variable, la distorsión de tercer orden crea un contenido de frecuencia adicional en bandas adyacentes a la señal modulada, algunas sujetas a sumas periódicas. Esta distorsión se conoce como Recrecimiento espectral, y en un gráfico FFT puede identificarse visualmente como un engorde y ensanchamiento de los espectros de ruido que rodean los tonos primarios.

Existe una variedad de medios para medir esta distorsión, incluida la interceptación de productos de segundo orden causados ​​por componentes que se comportan de acuerdo con la Ley de Cuadrados. Otro método comúnmente usado es la intercepción de tercer orden, que se emplea para artefactos introducidos por componentes que se comportan de acuerdo con la Ley de Cubos. Aquí es donde el argumento a favor de equipos de prueba de precisión mejor valorados y mejor diseñados gana terreno considerable, ya que las interfaces de audio con pérdida y los analizadores de bajo coste ocultarán los resultados entre los de sus propios artefactos de distorsión.

Distorsión de intermodulación pasiva

Hemos establecido que la intermodulación se produce como resultado de un sistema no lineal activo que reproduce de forma consecutiva dos tonos. Sin embargo, la distorsión de intermodulación pasiva, o PIM, como se abrevia, se produce en dispositivos sin alimentación como resultado de la mezcla de dos o más tonos de energía en presencia de no linealidades de dispositivos físicos. Los ejemplos de entornos de este tipo que proporcionan una situación para la inyección de PIM incluyen las uniones de metales diferentes como uniones de óxido de metal, tornillos oxidados, incluso conectores sueltos y juntas de soldadura. Otro ejemplo se refiere a las aeronaves controladas por radiofrecuencia, donde dos superficies metálicas que vibran físicamente entre sí pueden transmitir señales moduladas en ancho de pulso capturadas por las partes y luego redistribuidas. Intermodulación pasiva La distorsión puede transportar suficiente energía de ruido adicional para inundar los transceptores de dos vías de baja frecuencia. También es pertinente para equipos de audio.

Cuanto mayor es la amplitud de la señal, más pronunciado es el efecto de las no linealidades y la cantidad más prominente de intermodulación que se produce. Dependiendo de los dos tonos de forma de onda fundamentales presentes, sus armónicos de intermodulación pueden sumarse y multiplicarse para oscurecer completamente la frecuencia . Esto tiene una gran relevancia, ya que aunque en la inspección inicial, en un sistema puede parecer lineal e incapaz de generar intermodulación. La histéresis en materiales ferromagnéticos puede generar productos de intermodulación pasiva cuando dichos materiales están expuestos a la inversión de campos magnéticos, y por lo tanto es principalmente la razón por la cual en algunos diseños se omite el recubrimiento de oro sobre la máscara de soldadura de zinc. La intermodulación pasiva también se puede generar en componentes con defectos de fabricación y mano de obra, de nuevo, como juntas de soldadura con terminación insuficiente y agrietada, o contactos mecánicos mal hechos. La intermodulación pasiva no puede existir en diseños normales en ausencia de distorsión de modulación de amplitud. En algunos casos, los componentes activos son mucho más silenciosos que los componentes pasivos que se utilizan junto con ellos.

Respuesta de fase

La Respuesta de fase es un medio para representar la cantidad de cambio en la fase que un dispositivo agrega a las frecuencias a medida que se reproducen. El cambio de fase se expresa en grados, y se utiliza para describir el avance o retraso de la fase en relación con la forma de onda de la señal de entrada. Un amplificador teóricamente perfecto con una respuesta de fase perfecta introduciría un cambio de fase en todas las frecuencias reproducidas, teniendo así una fase neta de cero. La desafortunada noticia es que nada en nuestro mundo es perfecto, incluidos los amplificadores. La noticia alentadora es que podemos diseñar amplificadores de audio con una respuesta de fase de valores de un solo dígito o mejores, donde los efectos son de poca importancia.

El cambio de fase y el retardo de fase son a menudo lo mismo. El cambio de fase ocurre típicamente en los extremos de frecuencia, y el cambio de fase típicamente será mínimo en toda la región de frecuencia de banda media. La mayoría de los amplificadores de audio para el hogar de producción tienen menos de -10 grados cerca de 20kHz. Esto corresponde a un período de retardo de 1,4 microsegundos (µS) a esa frecuencia en relación con otras frecuencias más bajas. Esta cantidad de retrasos es en su mayoría insignificante, incluso entre las aplicaciones de audio en vivo más exigentes.

Distorsión de fase en altas frecuencias

Es mucho más común ver grandes cambios de fase en las regiones de frecuencia más baja, en función del bloqueo de corriente directa y los circuitos de atenuación de paso alto. La fase se vuelve más problemática a medida que disminuye la frecuencia porque, a medida que las señales descienden en la escala de frecuencia dentro de una década, el cambio en el tiempo de frecuencia se vuelve más audible para el oyente. Los amplificadores que muestran grandes cantidades de cambio de fase también introducen grandes retrasos en los componentes de frecuencia que ocurren en las regiones de fase correspondientes más altas. Si investigáramos la relación entre armónicos ligeramente más altos y una frecuencia portadora de 20 Hertz con 10 grados de cambio de fase, los graves y los armónicos quedan fuera de tiempo en 1,4 milisegundos (mS), mucho más que el cambio equivalente a 20kHz (1,4 microsegundos). [µS]).




Fase absoluta

La fase absoluta, que a menudo se confunde con el término polaridad, se aplica a la dirección aparente de la oscilación de la señal durante un período determinado. En otras palabras, un componente electrónico con integridad de fase absoluta mantendría la relación de fase de la señal. De esta manera, los cambios positivos en los mismos cambios positivos hacia fuera, en ese orden. En términos de un sistema de audio práctico, puede representarse más fácilmente a través de una demostración visual de bajas frecuencias reproducidas por un gran altavoz con un osciloscopio adyacente u otro dispositivo para mostrar la señal que proviene de la fuente. Por ejemplo, cuando una señal está en un giro positivo, un sistema con Fase Absoluta hará que un controlador de baja frecuencia acelere hacia adelante. Un sistema con fase opuesta hará que el controlador de un altavoz se mueva en la dirección opuesta, aunque la señal de la fuente original se encuentre en un giro positivo. Las mediciones de fase se toman en las salidas del dispositivo y luego se comparan directamente con la de la entrada.

“La fase no solo es inherente a un sistema de audio, sino que también se aplica a los medios grabados u otras fuentes de referencia. Esto se llama Fase Relativa ".
En el audio doméstico del consumidor, algunos componentes de audio electrónicos se han diseñado con salidas de fase invertida. Este fue un caso común entre los preamplificadores y los métodos simplificados de control de ganancia en estado sólido, antes del inicio de los dispositivos de menor ruido. En tiempos más recientes, los diseñadores han optado por excluir la inversión de fase, y en esencia, nada fue suficiente para ganar la Fase Absoluta.

La fase no solo es inherente a un sistema de audio, sino que también se aplica a los medios grabados u otras fuentes de referencia. Esto se denomina fase relativa, y aunque no merece su propia sección, sí merece alguna mención. No todas las grabaciones son de fase correcta, y esto es particularmente cierto en algunas prensas de vinilo. Como resultado, algunos fabricantes incluyen un interruptor de inversión de fase en las etapas de su fonógrafo para permitir que el oyente decida qué es lo mejor para ellos. Si bien los estudios extensos y los profesionales de la grabación sugieren que el sistema auditivo es insensible a una señal sinusoidal asimétrica, las fuentes también sugieren que es mejor dejar esto para que lo determine el usuario final.