Distorsión parte 4

Factor de ganancia y señal pequeña. Linealidad de ganancia.

La ganancia es la relación que existe entre la magnitud de la señal relativa que se encuentra en la salida de un dispositivo en comparación con la que existe en su entrada en el mismo instante. El equipo de audio, incluidos los amplificadores fonográficos, los preamplificadores y los amplificadores de potencia, tienen una cantidad de ganancia que puede representarse como la relación de la multiplicación de la señal de voltaje a medida que las formas de onda pasan a través del dispositivo. Esta multiplicación es el aumento de nivel y se conoce como amplificación. La amplificación también puede tener lugar en el dominio actual mientras que con potenciales de voltaje muy bajos, sin embargo, muy pocos componentes de audio están diseñados para funcionar de esta manera. El valor final de la multiplicación de la señal se puede dar como una relación del factor de ganancia que compara la salida con la entrada, o simplemente se representa como la amplitud en decibelios. Este último es mucho más útil para el público en general, ya que se relaciona con algo con lo que todos pueden relacionarse, respectivamente.

En esta era moderna de los circuitos de reproducción de audio en el hogar, el factor de ganancia suele ser un valor fijo. Los amplificadores de potencia a menudo proporcionan de veinticinco a treinta decibelios de ganancia, lo suficiente para evitar cualquier necesidad de una etapa preliminar de amplificación y permitir que sean impulsados ​​a su máxima potencia de salida. El control sobre el nivel de salida de la amplificación se ajusta mediante una red divisora ​​potencial que se ha integrado en una etapa temprana antes de la etapa de potencia, y como se mencionó, esta etapa temprana puede no ofrecer ninguna ganancia. Las fuentes, como los reproductores de discos compactos y los amplificadores de sonido, normalmente funcionan en niveles de uno a dos voltios. Estos son típicamente mayores de lo que es necesario para llevar la mayoría de los amplificadores de potencia al recorte duro. Las fuentes de nivel inferior y las grabaciones más silenciosas pueden requerir más ganancia para lograr los niveles de reproducción deseados, y esta es la razón principal por la que la gran mayoría de los preamplificadores discretos ofrecen circuitos activos y ganancia.

A lo largo de la historia del diseño de audio para el consumidor, ha habido casos de productos que operaron en condiciones que les impedían ofrecer una reproducción dinámica lineal. Lo que hicieron estos dispositivos fue silenciar o, de lo contrario, comprimir la señal aparente mientras permanecía sin signos de recorte. Los dos escenarios principales se pueden descomponer en lo siguiente: silenciar señales pequeñas y la compresión de pasajes dinámicos. El primero inculca una pérdida de información que comprende los transitorios más finos y de menor nivel en una grabación. Este último abarca una situación en la que los picos por encima de un margen no especificado se reducen en amplitud. Sobre la base de esta segunda desviación de la linealidad de la ganancia, es posible que haya habido casos provisionales de pequeñas señales que se dejaron sin cambios y que las proporciones se mantuvieron perfectamente, aunque se redujo el rango dinámico. Esta peculiar forma de distorsión de la linealidad de ganancia hizo que los rasgos sonoros más pequeños parecieran más fuertes, lo que lleva a la impresión de un gran detalle, al tiempo que mantiene un rango dinámico muy limitado.

Hay dos tipos principales de amplificación; Corriente y voltaje. La amplificación de la señal de voltaje es la más común y sigue siendo la más simple. La amplificación de corriente es un medio de transferencia de señal que desvía en gran medida los problemas de la capacitancia del conductor paralelo en largos recorridos. Siempre que la ruta de la señal pueda ofrecer una resistencia baja constante, hay poca degradación de la señal. Funciona alimentando etapas con una señal de corriente en residencias cercanas a cero voltios. Si uno intentara medirlo con un multímetro, es probable que se comporte como si no hubiera ninguna señal en esa línea. Para que exista flujo de corriente, tiene que haber un voltaje. En el caso de la amplificación de corriente, es simplemente un valor tan pequeño que escapa a la detección mediante un equipo típico de medición de baja sensibilidad, como los multímetros. Este valor de potencial muy pequeño no es diferente al de los circuitos lógicos digitales y de los conversores analógicos a digitales, y mantiene la integridad de este flujo de corriente mediante el uso de redes de circuitos de baja resistencia.

En algún momento, preferiblemente más cerca de la etapa final, la señal de entrada debe convertirse en un voltaje para que sea útil. Esto es realmente bastante simple y solo usa una sola etapa, como un amplificador operacional con retroalimentación que sirve como un convertidor de transimpedancia. El amplificador operacional es el método más común de conversión debido a su precisión inherente. La entrada de línea a la etapa se toma en la entrada designada negativamente, mientras que la entrada positiva está en corto a un plano de tierra. Cualquier corriente que fluya hacia la entrada negativa tendrá que fluir a través de la resistencia de realimentación, la cual desarrollará un voltaje a través de esta resistencia según la Ley de Ohm. Los amplificadores operacionales están diseñados para evitar que ocurran diferencias entre sus entradas positivas y negativas, ya que son efectivamente un convertidor V-a-I que cae en cascada en una etapa de salida I-V. La entrada negativa actuará efectivamente para reflejar la entrada positiva, lo que significa que la entrada negativa también se conecta a tierra. Si la entrada y la salida negativas se conectan indirectamente a través de una resistencia, como ocurre con la retroalimentación, la etapa de salida debe compensar la caída de voltaje en la resistencia. Voila, convirtiendo así la corriente en una señal de voltaje proporcional para la amplificación.

Esto también se puede lograr con un tubo de vacío, pero es importante mantener una alta impedancia entre etapas o de origen. Cuando la mayoría de los componentes de audio se esfuerzan por obtener valores de impedancia de fuente bajos, un tubo (como un triodo en una etapa de I a V) requiere una impedancia de fuente alta para permitir suficiente libertad para que la cuadrícula se mueva. Diseñar una fuente de alta impedancia nunca ha sido una tarea difícil. Simplemente aumentando el valor del controlador de la resistencia de cátodo en un amplificador de triodo de cátodo a tierra colocará la impedancia muy alta.



“No todos los diversos tipos de distorsión exhibidos por la electrónica pueden demostrarse mediante tonos de prueba sinusoidales, ni bajo condiciones de operación estables, solo. Se ha ideado que durante años de ingeniería de componentes de audio y diseño de investigación, esta ha sido una de las muchas grandes lecciones. Una parte interesante de este artículo informal puede ser la de las clasificaciones dinámicas de distorsión, ya que demuestran que las mediciones estáticas no siempre reflejan el comportamiento completo del módulo dinámico como el que encontramos en la reproducción de música.

En otras palabras, las pruebas que vemos en línea y en los folletos son las de los tonos sinusoidales de estado estacionario, y se centran más en los comportamientos que solo se ven cuando una señal es continúa. Sin embargo, las señales musicales inician, cesan o cambian de otra manera. No hay dos disposiciones que se comporten de manera idéntica en todas las condiciones.

Todas las formas de onda de audio están compuestas por ondas portadoras y componentes aditivos y sustractivos, y en ellas la alteración de la forma, la proporción y la frecuencia forman el producto de audio dinámico final. Esas mediciones sirven para reflejar mejor la forma en que los productos electrónicos reiteran las formas de onda de audio. A la luz de esto, es interesante que incluso en esta época, algunos aún asumen que dos o tres pruebas estáticas son descriptivas del dispositivo en su totalidad. Continuando con este documento, ahora entraremos en los temas de las formas más complejas de la distorsión dinámica. Si bien varias de estas distorsiones son más pertinentes cuando se aplican en el contexto de medios físicos, cada una también tiene credibilidad en la ingeniería electrónica ".

Amplitud-frecuencia y distorsión de frecuencia de fase

Algunos tipos de distorsión actúan de manera diferente, dependiendo de si las frecuencias fundamentales son continuas, limitadas a un solo ciclo, o incluso a una parte del mismo. Como tal, el análisis de distorsión basado en tonos de prueba pasa por alto un gran comportamiento exhibido por el dispositivo, dejando gran parte de su rendimiento y un misterio para los que no están informados. Ninguno de los siguientes está representado en una FFT típica a través de una prueba de tono. La siguiente es una pequeña compilación de los resultados de las pruebas y la clasificación de cada uno.

Frecuencias de fase y distorsiones de amplitud de fase

Este tipo de distorsión resulta de una forma de cambio que típicamente involucra una forma de onda media, o un transitorio de otra manera sinuoso, cuya amplitud aumenta o disminuye. Mientras tanto, la marca de tiempo también se modifica para cambiar la frecuencia. Esta es una distorsión compleja, y cambia completamente el contenido transitorio original hasta tal punto que ya no se parece a la señal original.

Al igual que la distorsión de frecuencia-amplitud, la distorsión de frecuencia-fase es una situación que surge cuando un circuito imparte una diferencia en la fase aparente, lo que resulta en una modificación del intervalo de tiempo del impulso. Después de llegar al extremo distante de un circuito de audio, las corrientes requieren tiempo para desarrollar su valor deseado. Sin embargo, si las condiciones determinan que el tiempo necesario es demasiado grande, es posible que nunca alcancen sus niveles anteriores. Por supuesto, esto resulta en la atenuación y distorsión de los impulsos iniciales y de terminación de la señal. Es posible tener un dispositivo o circuito que muestre los rasgos de la distorsión de fase de amplitud y la distorsión de fase de frecuencia de forma intempestiva.

En muchos diseños comerciales  donde se eligen valores de acoplamiento de menor tamaño para reducir los costes de construcción, o simplemente porque se consideran adecuados, traen problemas . El hecho de omitir los condensadores de señal de película pequeña con tipos electrolíticos de 10 µF, 27 µF o incluso 100 µF es un largo camino para reducir este aspecto de la distorsión de fase. No tenga miedo de que el electrolítico contamine la señal o de lo contrario mitigue el propósito del capacitor de película primario más pequeño y de mayor calidad, debido a que la resistencia en serie equivalente y la inductancia de las películas modernas es mucho menor que la de los electrolíticos. Por lo tanto, el electrolítico es más resistente y, por lo tanto, solo está activo donde el capacitor de película lo era, por lo demás, ineficaz, a bajas frecuencias.

Distorsión de modulación de amplitud

La modulación de amplitud es una técnica utilizada en la difusión de señales y en los medios de amplificación modulados por ancho de pulso. Existen tres tipos principales de modulación de amplitud. La distorsión implica la superposición de una señal portadora sobre la señal fundamental: esta señal puede mantener un tono dominante constante y variar en amplitud proporcional a la señal fundamental; puede operar a una magnitud dominante constante y onda en frecuencia con la señal de entrada; finalmente, puede rastrear el tono de entrada, siguiendo como una pequeña anomalía de señal.


Excesiva distorsión armónica de tercer orden con distorsión por modulación de amplitud.

Cuando el audio cambia constantemente, los efectos serán más pronunciados con algo de música y medios que con otros. Agregando este factor a un cambio en la fase de diferentes armónicos, el efecto acumulativo puede ser dinámico.

En cualquier momento en que la modulación de amplitud no sea parte del objetivo principal del diseño, debe tratarse como un efecto parásito y la fuente poco después debe ser localizada y la causa debe ser corregida. La modulación de amplitud puede aplicarse a cualquier orden de distorsión armónica, donde la armónica contiene una muestra modulada en amplitud de la frecuencia fundamental. En este caso, el aumento y la caída de la forma de onda permanecen cerca de la original, pero la cresta queda suprimida por la modulación fuera de fase.

Respuesta transitoria

La respuesta transitoria abarca aspectos importantes de la reproducción y el diseño de audio. El término es amplio, pero implica la importancia de que un dispositivo bajo prueba se someta a pruebas transitorias para ayudar a cuantificar su fidelidad en la recreación de una trayectoria estocástica de múltiples estados, en combinación con otras señales. Hay una serie de pruebas para Distorsiones de respuesta transitoria, que abarcan pruebas de señales grandes y pequeñas y múltiples señales de tono, y una variedad de métodos que demuestran cómo se comporta el dispositivo en condiciones dinámicas. El análisis transitorio difiere de otras pruebas, ya que emplea métodos especializados y una variedad de estímulos que pueden no repetirse, mientras que las técnicas de captura de distorsión armónica y de intermodulación se centralizan en las formas de onda sinusoidales en estado estacionario.

Respuesta Transitoria Explicada

La razón principal para las pruebas Transitorias es que todos los sonidos y señales musicales tienen un punto de inicio y un final, a veces abrupto. Los criterios para estas señales cambian constantemente en términos de amplitud, contenido de frecuencia, tiempos, modulación y la interferencia aditiva y sustractiva de tales contribuciones. En otras palabras, la música y los sonidos naturales contienen distintos eventos transitorios que son breves y de forma bastante asimétrica. Hay una serie de pruebas diferentes para la respuesta transitoria, y cada una se basa en la creación de datos cuando se solicita que un dispositivo suba o baje de un potencial de cero a un nuevo punto de magnitud establecido, posiblemente incluso mantenga ese nivel allí durante un período, luego volviendo a cero potencial. Un ingeniero competente y experimentado puede obtener una gran perspectiva sobre la topología del circuito, el modo de operación, la naturaleza de los filtros y otras características de comportamiento importantes de un dispositivo. Estos pueden determinarse según la comparación de los resultados con los criterios de rendimiento conocidos.
La razón secundaria para probar la respuesta transitoria está encabezada por el hecho de que muchas etapas del procesamiento y la amplificación de la señal se comportan de una manera muy diferente a la de los impulsos, formas de onda cuadradas y triangulares. Si bien muy pocas bandas sonoras contienen formas de onda cuadradas perfectas y el sonido de las mismas es poco preocupante, no es tanto la reproducción de una onda cuadrada lo que siempre interesa al diseñador prudente. En cambio, es más a menudo lo que se agrega exactamente durante el inicio de esos impulsos o formas de onda. Cualquier tono o pulso adicional que este estímulo pueda despertar gran interés y ayudar al ingeniero a construir un dispositivo con mejor sonido y más seguro.

Función de respuesta al impulso

Los impulsos son transitorios de corta duración, lo que significa que los eventos son breves. Hay una serie de técnicas para el análisis de impulsos, y los amplificadores generalmente se tratan como sistemas de tiempo discreto, en lugar de introducirlos en un ciclo continuo de impulsos. El transitorio eléctrico proviene de una fuente calibrada con precisión, como un generador de funciones de laboratorio y un comparador. La intención es crear un pulso ascendente rápido que se acorte bruscamente en su punto máximo, y luego caiga igualmente rápido a un potencial cero. El valor de esta prueba se realiza en la observación de cómo un dispositivo bajo prueba se comporta inmediatamente antes y después del impulso.

Respuesta impulsiva

Las funciones de respuesta al impulso, abreviadas como IRF, son comunes en las pruebas dinámicas de potencia de los amplificadores, pero también son una buena herramienta para identificar problemas con la reproducción de señales pequeñas que podrían conducir a una pérdida percibida de información sonora. La función de respuesta al impulso de un dispositivo puede derivarse comparando el impulso de salida resultante con el de la entrada con expresiones algebraicas simples, como la función delta de Kronecker. Los resultados de las pruebas de impulso también son útiles para cuantificar el aislamiento y la inmunidad de los dispositivos frente a los efectos de precedencia, respuesta de fase, velocidad de giro y tendencias hacia el timbre, lo que puede ser el presagio de un problema posterior.

El rebasamiento y el subproceso proporcionan datos sobre la estabilidad y las desviaciones de amplitud, como el redondeo del impulso, la información sobre el error de fase. Debido a que el impulso es tan breve, los resultados pueden ser útiles para identificar las aberraciones que pueden perderse con otras señales transitorias que abarcan un dominio de tiempo mayor. Los picos transitorios dinámicos que se producen durante una prueba de impulso pueden provenir de la colocación física de los componentes de las piezas en una placa de circuito impreso, de cableado de punto a punto. Uno de los problemas más prominentes es la inductancia de trazas y conductores. La inductancia parasitaria se puede mitigar a través de un diseño cuidadoso y el enrutamiento del circuito.

Distorsión del tiempo de subida

El tiempo de subida es una medida de la cantidad de tiempo que un dispositivo bajo prueba requiere para responder a una onda cuadrada que, uno  alterna a una frecuencia específica en un nivel predeterminado. El tiempo de subida de un amplificador es una indicación de su respuesta de frecuencia y indica qué tipos de filtros están en uso. Un tiempo de aumento rápido corresponde a una respuesta de frecuencia amplia, y un tiempo de aumento que se redondea o se inclina hacia arriba indica que una parte de los circuitos se compone de un filtro de paso bajo.

Para los equipos de audio, se hace referencia a la distorsión del tiempo de subida con una señal de onda cuadrada de 1 kHz de amplitud pico a pico de un voltio en la salida de un amplificador. Se determina por la duración requerida para cambiar del 10% al 90% de su producción, es decir, de 0.1 voltios a 0.9 voltios. Los 0,1 voltios iniciales y restantes se excluyen en la prueba para mejorar la precisión de esta prueba única. De lo contrario, cualquier no linealidad y las emisiones secundarias presentes en el dispositivo o la señal de la fuente podrían dar lugar a resultados erróneos en la medición. La distorsión del tiempo de subida está relacionada con la distorsión inducida por desviación, con las diferencias fundamentales en los niveles de referencia de entrada, y esa distorsión de tiempo de subida ignora el primer y último 10% de la forma de onda.

Unidad de Respuesta de Función de Paso

Una respuesta de función de paso de unidad se parece mucho a las pruebas de pulso cuadrado de respuesta transitoria, pero difiere de ella de una manera importante. Una prueba de respuesta de función de paso de unidad dicta que la señal no caiga inmediatamente a potencial cero. En cambio, es una señal de voltaje de corriente continua de subida rápida que sube y mantiene su valor durante un período prolongado. Esta prueba resulta útil para evaluar la estabilidad y cómo se comporta un dispositivo bajo prueba, cuando la señal se convierte en una corriente continua. Esto puede ayudar a evaluar la seguridad del dispositivo, y podría ocurrir una corriente directa si se conectara un amplificador a un preamplificador con una condición de falla repentina. Un amplificador adecuadamente diseñado no reproducirá una señal de corriente directa y, en cambio, la rechazará. Si reprodujera la señal de CC, no solo se pondría en riesgo, sino que también dañaría los altavoces y presentaría un riesgo de incendio o descarga eléctrica.