Distorsión parte 3.

Estado latente

La latencia es una condición en la que la señal de salida que ha sido reproducida por un dispositivo se retrasa, de modo que ya no es instantánea en comparación con la señal de entrada. Algunos circuitos analógicos se construyen de tal manera que puede haber latencia, por lo que observamos una diferencia distinta en la alineación entre esas dos señales. Esto se vuelve importante cuando el audio, u otra señal, debe ser referenciada contra otro evento en vivo, como el video. Los procesadores de audio digital presentan el mayor error de sincronización, ya que cualquier interfaz digital funciona según el principio de muestreo de datos . El tiempo que lleva recopilar y procesar estos datos determina la latencia aparente. La latencia suele ser uniforme en todas las frecuencias pertinentes a la reproducción de audio, y la gran diferencia se produce entre los eventos como un retraso percibido en el tiempo.
Oscilación, estabilidad y margen de fase

La estabilidad de una etapa de amplificación indica su inmunidad inherente a una condición conocida como oscilación. La oscilación es el mantenimiento de una señal en la salida después de que el estímulo de entrada haya cesado. La oscilación puede ser autoinducida o puede resultar de un factor externo, como cuando se coloca una carga reactiva en la salida de una etapa de amplificación. Es importante que se mitiguen las posibilidades de oscilación; de lo contrario, la causa de la oscilación puede aumentar la magnitud de la señal hasta tal punto que sobrecargue el dispositivo amplificador, posiblemente dañándolo y la carga.

Cada dispositivo, ya sea semiconductor o válvula termoiónica, tiene un límite de frecuencia superior donde su fase se invierte 180 grados. Esta es una parte natural de los cuerpos electrónicos y mecánicos. La frecuencia de esquina de primer orden para un dispositivo amplificador activo puede residir cerca de un Megahertz (MHz, millones de ciclos por segundo), mientras que entre los dispositivos lógicos puede residir en el bajo Gigahertz (GHz, mil millones de ciclos por segundo). Este polo hace que las altas frecuencias por encima de él se atenúen a seis decibelios por octava, lo que corresponde a 20 decibeles por década. Continuará atenuándose a este ritmo hasta que se fusione con otro polo. Esta es una única constante de tiempo, y el dispositivo continuará atenuándose a este ritmo hasta que se fusione con otro polo.

Un amplificador con una única constante de tiempo y cambio de fase cero en la ganancia unitaria (la ganancia unitaria no se refiere a ninguna reducción o aumento cuando la señal pasa a través del dispositivo, la ganancia es igual a 1) siempre es estable, pero muchos dispositivos activos tienen al menos dos polos primarios en ganancia de unidad. El segundo polo se atenúa a una velocidad de doce decibeles por octava y 40 decibeles por década, dos veces más alto que una sola constante de tiempo. Si el dispositivo activo se encuentra entre aquellos cuya respuesta de frecuencia cae naturalmente por debajo de la ganancia de la unidad antes de que se encuentre este segundo polo, será incondicionalmente estable en cualquier nivel de ganancia. Si el segundo polo se encuentra por encima de la unidad, la ganancia es de 1, se requerirá atención especial para algunas implementaciones. En unos momentos echaremos un breve vistazo a cómo se determina esa ganancia.

La estabilidad de un amplificador está representada por su Margen de fase (PM) en grados, donde el valor establecido implica cuán grande es la fase de estado normal desde el punto de 180 grados. Si el margen de fase del amplificador alcanza 180 grados por un cambio que se superpone nuevamente a la entrada a través de rutas parásitas o errores de diseño, esta condición permitirá la oscilación. El margen de fase también se indica mediante lo que se denomina factor k. Un factor K de 1.0 es una condición límite para la estabilidad incondicional, y un dispositivo que tiene un factor k inferior a 1.0 solo es condicionalmente estable. Un amplificador con un factor k de 1.0 no oscilará, independientemente de la señal que se esté aplicando, la impedancia de la fuente o el ángulo de la fase de carga.

Oscilación.

Un dispositivo que funciona sin retroalimentación negativa se conoce como bucle abierto. Esta condición ofrece la mayor resistencia posible entre la entrada y la salida de un dispositivo, y poca o ninguna interacción. Da como resultado una respuesta de alta frecuencia limitada, altos niveles de distorsión y ganancia que a menudo es alta para poder usarse en aplicaciones de audio. La retroalimentación puede introducir cierta ligereza en la situación para mejorar en gran medida varios parámetros del dispositivo, y funciona mediante la ganancia de comercio para una mayor linealidad y menor distorsión.

Cuando una ruta conductiva o resistiva se coloca entre la entrada y la salida, se conoce como un circuito cerrado. Para la mayoría de las aplicaciones de audio, un bucle de retroalimentación negativa localizada será el tipo más común de retroalimentación, presentando un bucle cerrado con un medio resistivo o conductor para establecer la ganancia deseada. A medida que disminuye la resistencia, se aplica más retroalimentación y se reduce la ganancia. El ancho de banda aumenta y la distorsión disminuye.

La retroalimentación es un concepto a menudo confuso, ya que tiene una curva de aprendizaje. Muchos creen que es el acto de tomar la señal de salida de un dispositivo y enviarla de vuelta a la entrada. Esto es incorrecto, ya que la retroalimentación es un método para tomar el Voltaje de salida , o parte del mismo, y volver a presentarlo en la entrada de un dispositivo. Si bien estos dos conceptos parecen idénticos, no son exactamente iguales. Esta distinción se vuelve más importante a medida que uno avanza.

Con suficiente retroalimentación, el dispositivo amplificador puede alcanzar el punto de cambio de fase 180 del dispositivo. Para permitir que el dispositivo se use de manera segura con alta retroalimentación, se puede colocar un capacitor de compensación de pequeño valor, llamado capacitor Miller, en paralelo al circuito de retroalimentación resistiva. Esto se utiliza para hacer que el circuito actúe como un activador de fase, y atenúa la ganancia de alta frecuencia. Al hacerlo, ayuda a evitar que las frecuencias ultrasónicas alcancen una simetría crítica, donde la retroalimentación se volvería positiva y produciría cierto nivel de oscilación y distorsión.

Sabemos que el resultado neto de la retroalimentación es una ganancia de transferencia más plana sobre el ancho de banda designado, una distorsión mucho menor y la capacitancia de Miller ayuda a prevenir la inestabilidad. Al atenuar las altas frecuencias o mover los polos hacia arriba en frecuencia, se puede aplicar más retroalimentación y, por lo tanto, una mejor linealidad. Sin embargo, hay un balance importante que debe ser pesado para asegurar que la integridad de alta frecuencia no se vea comprometida. Hay un punto en el que un dispositivo amplificador dado se desempeña de la mejor manera, y donde una mayor cantidad de comentarios para dispositivos específicos requerirá una compensación excesiva, comprometiendo las velocidades de giro.

Anillo de onda cuadrada, una forma de inestabilidad.

En tu viaje de audio, es posible que hayas oído mencionar algo llamado Zero-Feedback. La retroalimentación cero se usa a menudo en la industria del audio para reclamar que un amplificador de audio carece de retroalimentación. Es un mecanismo descriptivo, erróneo , sobre cómo se diseña y opera el amplificador. Lo que quizás debería establecerse en su lugar, es que el diseño utiliza decibelios cercanos a cero de retroalimentación de tipo X o retroalimentación global cero, lo que sea aplicable al diseño. Esto se debe a que hay rutas de retroalimentación claras en los esquemas. Varios otros en la industria también se han hecho eco de que cada uno de ellos afirmaba estar desprovisto de retroalimentacion y había sido todo lo contrario: esos diseños simplemente intercambiaban retroalimentaciones globales por bucles localizados. Otros utilizan un bucle cerrado, pero cuando el valor de alta resistencia acerca la ganancia al bucle abierto, lo etiquetan como retroalimentación cero como si fuera un componente del circuito de retroalimentación cero.

Las únicas excepciones notables son un par de diseños de transconductancia que han ido y resurgido a lo largo de los años. Utilizaron autoformadores para ganancia de voltaje, alimentando un par de Jfets o Mosfets. Estos todavía utilizan degradación pasiva o activa, que en sí misma es un tipo de retroalimentación. En estos diseños, la ausencia de retroalimentación negativa se produce a costa de la distorsión, la impedancia de salida deficiente y un ancho de banda muy limitado. El hecho científico de la materia es que cualquier amplificador que use una resistencia diferente a cero, o una impedancia en el cátodo, el emisor o el drenaje de la fuente, es por definición conl uso de retroalimentación. Por ejemplo, los amplificadores de Clasificación A de un solo extremo exigen el uso de una resistencia pasiva y algunas veces activa del cátodo o del emisor (a veces junto con una reactancia capacitiva para atraer una extensión de baja frecuencia mejorada) para colocar el punto Q aproximadamente a la mitad de la carga línea. Esto constituye retroalimentación degenerativa. Si no hay resistencia o impedancia, el amplificador ya no reproduce las formas de onda de audio.

También hay una amplia variedad de diferentes topologías de retroalimentación. No todos los comentarios son iguales, ni tienen un propósito idéntico, y todos deben ejecutarse de manera inteligente. Entre las variedades hay retroalimentación positiva, retroalimentación negativa, retroalimentación térmica, realimentación de voltaje, realimentación actual, realimentación, retroalimentación global,  y la lista continúa. Cada amplificador de producción utiliza retroalimentación controlada para mejorar su linealidad y estabilidad. También reduce en gran medida la impedancia de salida del circuito, lo que lo hace más adecuado para manejar cargas cambiantes. Alta corriente es en realidad un nombre inapropiado para una alta retroalimentación.

Otra área importante de estabilidad en el diseño del amplificador nos lleva a la parte de salida y la carga a la que está conectado. El amplificador interactúa con una carga de altavoz no lineal que tiene una impedancia reactiva que cambia con la frecuencia. Dada la situación de impedancia, la fase Theta es la diferencia de tiempo entre la tensión máxima y la corriente máxima. En otras palabras, la impedancia es la diferencia de fase entre el voltaje y la corriente. La impedancia de un altavoz no puede ser tanto inductiva como capacitiva con la misma frecuencia exacta. En cambio, variará a medida que se modifique la frecuencia. En la resonancia, un conductor es resistivo; por debajo de este punto es inductivo, por encima de este punto será capacitivo y, finalmente, de serie.

Cuanto más reactiva es una carga, mayor es el margen de desalineación entre estos dos constituyentes principales. Un amplificador tendrá un grado de sensibilidad a la fase de la carga que está conduciendo y, a medida que la fase se acerca a la inversión total, comenzará a sonar. Además de la tensión térmica, un alto grado de cambio de fase es la carga más desafiante que enfrenta un amplificador de audio. Puede dar lugar a grandes deformaciones de la forma de onda e incluso a un fallo del amplificador. A pesar de los comentarios de marketing al contrario, independientemente de lo poderoso que sea un amplificador en cualquier carga de impedancia, su estabilidad permanece independiente de esa potencia. La única conexión es que una retroalimentación alta promueve una impedancia de salida baja, mientras que la estabilidad de esa retroalimentación aún está separada.

Una última parte a mencionar, es que el amplificador de potencia se conecta a los altavoces a través de un cable largo. Por lo tanto, cualquier interferencia de radiofrecuencia parasitaria que pueda ser detectada por el cable del altavoz puede encontrar su regreso al amplificador. Las causas externas de inestabilidad se originan a partir de la intercepción de una frecuencia correspondiente a un polo existente, o fuerzas electromotrices en fase simétrica. Un amplificador que no atenúa naturalmente la interferencia de radiofrecuencia por sí solo requiere un filtro de paso bajo o el aislamiento de componentes críticos para evitar la intercepción de radiofrecuencia. El ruido de la radio generalmente se abre paso en los amplificadores de alta velocidad, ya sea en los cables de entrada o en el cableado del altavoz. A partir de ahí, avanza hacia los rieles de alimentación y puede presentar un bucle. Varias formas de aislamiento, como la derivación con capacitancia, pueden evitar que la introducción de transitorios y otras señales indeseables sean interceptadas por una etapa de ganancia. En amplificadores de potencia más grandes, los requisitos de un estrangulador de salida de pequeño valor son a menudo obligatorios, mientras que en amplificadores de potencia más pequeños o etapas de ganancia de voltaje, puede omitirse en algunos diseños sin repercusiones.

En conclusión, el margen de fase para la estabilidad rara vez se proporciona entre los productos de audio para el consumidor. A veces se cree que los amplificadores oscilan cuando se recortan, pero este no es el caso.

Función de respuesta de frecuencia

A menudo abreviada como FR, la Respuesta de frecuencia es una medida cuantitativa de la precisión con la que un dispositivo electrónico bajo prueba mantiene una amplitud de señal de salida constante en un ancho de banda, mientras que la señal de referencia de entrada permanece sin cambios. Entre los organismos científicos, la función de respuesta de frecuencia también se conoce a menudo con el nombre de función de transferencia. Las desviaciones de una respuesta de frecuencia plana ocurren en el dominio de distorsión lineal, y la ganancia de inclinación indica las variaciones en el comportamiento de ganancia estática del dispositivo en un rango de frecuencia establecido.

Cuando se produce una grabación, se supone que se utilizará un sistema de reproducción lineal, de modo que sea capaz de reproducir la misma energía en todas las frecuencias de acuerdo con nuestro propio sistema auditivo. Una respuesta de frecuencia plana es indicativa de la calidad general y la capacidad para responder a los armónicos superiores e inferiores de las señales, hasta los extremos del espectro de audio. Para reproducir música con un grado de fidelidad, sigue siendo importante que un sistema de audio no tenga rasgos de acentuación, ni atenúe la respuesta de frecuencia en el rango de audio. Sin embargo, no hay nada de malo en que un oyente prefiera adaptar la respuesta a su preferencia.

Respuesta de frecuencia estrecha con grandes cambios de fase

Debido a que la estabilidad extrema es necesaria para algunos tipos de aplicaciones de sonido, algunos fabricantes han tomado medidas para que los filtros tempranos restrinjan la respuesta de frecuencia, o han permitido una distorsión relativamente alta a cambio de una mayor estabilidad del amplificador. Esto se debe a que los dispositivos electrónicos tienen un ancho de banda específico en el que ofrecerán su máximo rendimiento y seguridad, y simplemente sucede que el espectro auditivo humano se extiende sobre una región donde se unen los dispositivos de baja y alta frecuencia. Sin embargo, la segunda mitad de la década de 1980 vio la introducción de la próxima generación de semiconductores y aquellos que no solo reemplazaron a todos los expertos; pero se han mantenido como la base de prácticamente todos los dispositivos modernos utilizados en el audio, muchos de los cuales todavía están en producción.

Lo que ha cambiado desde entonces ha sido que las nuevas versiones de dispositivos obsoletos se han vuelto más eficientes y ofrecen menos ruido. Entre una variedad de parámetros, ofrecen una menor capacitancia de entrada y puntos de operación más seguros. Como resultado, son más flexibles en su uso, pueden manejar un mayor estrés térmico y operacional, y son más fáciles de manejar con menos demanda de los componentes necesarios. Aun así, ha sido completamente posible obtener una excelente respuesta de frecuencia durante varias décadas. Sin embargo, la respuesta de frecuencia de un componente de audio estará limitada por el diseñador. Todos los amplificadores terminados que emplean dispositivos en forma de bucle cerrado contarán con un filtro de paso bajo, ya sea pasivo o activo. Esto es para mejorar la seguridad de los amplificadores, y para evitar que se autodestruyan o que actúen como un transmisor / receptor de radiofrecuencia, es decir, un receptor de radio y un transmisor.

Cuando surja cualquier situación en la que un amplificador de reproducción de audio no tenga medios activos para suprimir tales señales, sería cada vez más peligroso permitir que un producto de este tipo funcione de una manera que permita que una señal de alta frecuencia (que corresponde a los polos superiores) se abra camino hacia la entrada. Igualmente preocupante, sería la introducción de una transmisión de radio de frecuencia más baja (por ejemplo: 200 kHz-1MHz) en las interconexiones de entrada de señal del amplificador, o trazas internas, que luego se amplifican fuera de fase y que tienen esa señal de voltaje en la salida superpuesta de nuevo al entrada. Los límites de frecuencia más bajos de un componente de audio también se pueden limitar para atenuar las frecuencias subsónicas que consumen energía, o para mitigar los transitorios de corriente directa que dañan el sistema de altavoces. Un diseñador clave con experiencia en el procesamiento de señales podrá mantener la respuesta de frecuencia plana, por lo general dentro de un par de decibelios de 20Hz a 20kHz y más.

Banda ancha

En la mayoría de los casos, la extensión de frecuencia superior a 100 kHz es común y esto es más que adecuado para la reproducción de música y audio teatral. Esta frecuencia está varias octavas por encima y más allá de los límites del espectro de audio perceptible, debido a la masa de la membrana timpánica, el martillo y el yunque, su forma y el funcionamiento genéticamente designado de la cóclea. Además, esto está mucho más allá del alcance de las grabaciones de audio analógicas y digitales disponibles, según el teorema mecánico, eléctrico y de Nyquist; la frecuencia máxima posible es la mitad de la frecuencia de muestreo digital, y la distorsión  se hace más prominente antes de que esto se realice, por lo que se necesitan filtros integrales.

La Respuesta de frecuencia real variará de la respuesta asintótica como resultado directo de la resistencia inherente de la serie equivalente alta del condensador de señal pequeña (cuando corresponda). Los condensadores compactos de montaje en superficie pueden tener una capacidad declarada de hasta 10uF, lo que, dependiendo de la siguiente impedancia del circuito, puede ser más que suficiente. Lo que es importante tener en cuenta es que, bajo ciertas condiciones térmicas, el valor efectivo disminuye hasta una décima parte del valor medido original. Si bien es difícil validar el uso de condensadores que cuestan miles de dólares, existe un argumento para los tipos de película de poli, y son confiables, muestran una menor distorsión y tienen mejor consistencia con el aumento térmico. Esta es una condición en algunas aplicaciones que puede no ser consistente o monotónica. La otra cara de esta situación es que los condensadores de mayor valor requieren una mayor cantidad de energía para mantener los ciclos de carga y descarga de una señal de corriente alterna, exactamente como lo encontramos en el audio, por ejemplo.

Con los puntos de filtro apropiados elegidos y la distorsión de fase muy reducida, se presenta un nuevo problema. Podemos determinar la salida, o una etapa principal es CA acoplada con un capacitor por la presencia de CC residual después de que la señal se haya detenido. Uno podría preguntarse: "¿Cómo podría una corriente continua atravesar un capacitor de bloqueo de CC?" La respuesta corta es que mientras el capacitor se está cargando, tiene que pasar corriente. Durante ese ciclo de carga, el punto de compensación cero se interrumpe. Una preocupación exclusiva de los sistemas monolíticos acoplados de CA proviene de estos ciclos de trabajo aparentes en los que el punto de referencia central crucial debe tener un potencial de cero voltios; una etapa acoplada de CA puede introducir problemas  cuando se aumenta el ancho de banda de baja frecuencia, ya que la mitad de la forma de onda cambiará desde cero y puede superar el umbral de recorte con señales dinámicas en estas bajas frecuencias.

Un ingeniero calificado puede descifrar una gran cantidad de información pertinente con respecto al diseño de un componente, en base a este conjunto de criterios. Estos incluyen nodos y modos, margen de fase, estabilidad y otras preocupaciones, y también pueden derivarse de los tipos de pendiente. Ciertos comportamientos son indicativos de la topología, y también pueden servir como indicadores de otros aspectos de la fidelidad de la reproducción. Una respuesta que comienza a inclinarse dentro del ancho de banda de audio es una señal de que habrá un cambio de fase asociado con esas frecuencias, donde una pendiente no lineal que tenga una forma o mayor a seis decibelios por octava sería descriptiva de un filtro polipolar. Generalmente se logra a través de la puesta en escena sucesiva.

Ancho de banda de potencia

El ancho de banda de potencia de un dispositivo se relaciona con el rango de frecuencia que cubre a un nivel de potencia establecido, generalmente establecido en vatios o voltios, según la aplicación. Una medida de respuesta de frecuencia se captura a la potencia relativamente baja de aproximadamente un vatio, conocida como ancho de banda de señal pequeña. El ancho de banda de potencia de un producto contrasta con el análisis de pequeña señal, y se mide a media potencia o capacidad de potencia total antes del inicio del recorte. La medición del ancho de banda de potencia proporciona un medio confiable y preciso para cuantificar la capacidad de un dispositivo de audio para producir altos niveles de salida en un amplio rango de frecuencias. Los límites del ancho de banda de potencia están definidos por los puntos donde el producto solo puede producir la mitad de la potencia de la que fue capaz a mil Hertz, es decir, -3 decibelios. En un diseño bien concebido, esto residirá lejos de las regiones audibles.



Potencia de ancho de banda y ganancia Trazado de Bode que representa el ancho de banda Vs Ganancia.

En los primeros días de estado sólido, los dispositivos mostraban un ancho de banda de potencia de ganancia más estrecho. Lo que eso significaba era que si el dispositivo se usaba sin retroalimentación, o se operaba en niveles altos con baja retroalimentación, ingresaría a la región de potencia donde su respuesta de frecuencia asociada era la más estrecha. Como resultado, esto podría causar que los crescendos y los cambios dinámicos no alcancen su espectro de frecuencia adecuado e incluso se distorsionen, lo que hace que el sonido se comprima y se limite. Si bien algunos pueden asociar ese sonido con fuentes de alimentación de baja calidad, rara vez fue inducido por tales. A menudo fue el resultado de emplear dispositivos de baja frecuencia iniciales al tiempo que se reducía el número de etapas sucesivas y se operaban esos dispositivos a niveles de producto de ganancia demasiado alta. En otras palabras, no fue culpa colectiva de las fuentes de alimentación. Las últimas versiones actualizadas de banda ancha y alta ganancia en la década de 1980 hicieron que los problemas de Gain Bandwidth Product en el diseño de equipos de audio se convirtieran en un tema obsoleto, pero causaron algunos problemas nuevos para varias compañías de audio que no estaban preparadas para aprovechar al máximo el gran ancho de banda. Eso fue fácilmente evidente en sus revelaciones escritas, si no es evidente en sus elecciones de diseño.

El ancho de banda de potencia de un amplificador diseñado apropiadamente, u otra etapa de ganancia es bastante lineal de 20Hz a 20kHz desde una fracción de un vatio a potencia máxima. En algunos casos, se aproxima a un Megahertz antes de que se instale un filtro de compensación de paso bajo en el circuito de retroalimentación o en otro lugar. La respuesta debe permanecer constante en las frecuencias de audio, independientemente de la salida de potencia. Tomando el ejemplo de un amplificador, por ejemplo, un ancho de banda de potencia amplio significa que el dispositivo puede reproducir armónicos superiores de alto nivel dentro de una señal en cualquier nivel de potencia con la misma facilidad con la que puede reproducir los fundamentales de rango medio. El resultado final de un amplificador diseñado adecuadamente con un buen ancho de banda de potencia es que el oyente obtiene el máximo rendimiento de potencia del producto en todo el espectro de frecuencias de audio. Es especialmente importante cuando se requiere que el amplificador reproduzca material musical con alta energía en un amplio rango de frecuencias, donde la calidad de sonido percibida en los pasajes dinámicos podría verse comprometida.

Esto se hace muy largo chicos, habrá una o dos entregas más

Un saludo a todos.

Estas exposiciones técnicas son conocimientos tuyos o son un copy-paste. Si son lo primero me interesan mucho.
Un saludo.