Distorsion parte 6

Factor de ruido

El ruido se puede definir como la salida de un proceso aleatorio, y uno que está matemáticamente desconectado de un evento actual. Dada la gran cantidad de partículas muy pequeñas en el universo y la variedad de fuerzas que trabajan sobre ellas, tal vez no sea una sorpresa que ocurran eventos aparentemente aleatorios. Sin embargo, aunque el ruido puede no estar relacionado de manera armoniosa con una señal de entrada u otro estímulo, se teoriza que el ruido no es aleatorio. Las investigaciones realizadas en los últimos años sugieren que es el resultado continuo de un evento que tuvo lugar en nuestra galaxia o universo, mucho antes. En el ámbito de la electrónica, el ruido a menudo describe como la creación no deseada y la adición de emisiones secundarias aparentemente no organizadas que no se parecen en nada a una señal de entrada. El ruido puede tomar una variedad de formas y puede abarcar espectros de frecuencia amplia o estrecha. A menudo conserva un valor máximo aproximadamente estacionario que es independiente de los niveles de entrada y salida, pero a veces los sigue. Esta sección cubrirá brevemente algunos de los tipos de ruido más comunes.

La física y las matemáticas son fundamentales para todas las ciencias, ya que proporcionan un lenguaje universal para compartir información sobre fenómenos naturales. Las pruebas y la aplicación de teorías nos han permitido idear medios estocásticos para reducir el ruido en componentes electrónicos y circuitos. Sin embargo, el ruido es ubicuo y en algún nivel es inevitable en un futuro previsible. A menudo se agrava como resultado del movimiento aleatorio de las partículas de nivel atómico en los componentes electrónicos, a menudo llamados portadores. Se ha demostrado que los resistores, los elementos de carbono y las propiedades ferromagnéticas introducen grandes niveles de ruido al interrumpir las rutas naturales del flujo de de electrones a medida que atraviesan un medio o espacio conductor, mientras que otros componentes, como los semiconductores, muestran una penalización por ruido como Resultado de sus densidades de portadoras controladas.



El ruido más común es el ruido térmico de Johnson, resultante de la interrupción del flujo del portador de electrones. Como lo sugieren la nomenclatura y la Ley Hísica, las funciones de potencia de ruido y densidad de probabilidad de la amplitud son directamente proporcionales a la temperatura nativa en el dispositivo resistivo que genera el ruido. Esta amplitud es casi de naturaleza gaussiana, y durante las etapas de diseño de un dispositivo, se diseña utilizando lo que llamamos el principio de ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN). Para completar la especificación de la figura de ruido de un dispositivo discreto, se anota una temperatura en kelvins junto con el valor del ruido térmico como referencia. Se muestra que el ruido térmico demuestra un rasgo principalmente lineal de la densidad espectral de potencia en todo el espectro de frecuencias. El ruido como este que es igual en todas las frecuencias se considera ruido blanco.

Otro tipo de ruido se encuentra en algunos dispositivos diódicos y en todas las válvulas termoiónicas. Cuando los portadores de carga atraviesan un espacio  al vacío y se dirigen hacia el ánodo, tienden a abandonar el cátodo a intervalos irregulares. El ruido proviene de fluctuaciones aleatorias en el valor promedio del flujo de corriente en dispositivos que dependen de esta brecha de vacío para operar. Esto se conoce como ruido de disparo, y está presente tanto como un ruido inactivo estacionario mientras el dispositivo está en funcionamiento, actuando también sobre la señal que se reproduce. Otras partes componentes, como las entidades resistivas y semiconductoras, no exhiben este tipo específico de ruido porque no presentan un espacio de vacío.

Un número de otros componentes electrónicos muestran tendencias hacia los efectos de la fuerza electromotriz del termopar, también conocidos como EMF térmicos. Este fenómeno ocurre en la conexión de metales diferentes, donde forman uniones termoeléctricas. A diferencia del ruido de Johnson, a medida que aumenta la temperatura, se genera un potencial eléctrico en esta situación, que se conoce como el efecto Seebeck. El potencial eléctrico depende del gradiente térmico a través del medio resistivo, además del valor de la resistividad en sí. En otras palabras, cuanto mayor sea la resistencia y mayor sea la temperatura, mayor será la fuerza electromotriz del termopar.

Se ha demostrado que los contactos eléctricos, las almohadillas de soldadura e incluso las terminaciones en las que dos cables de cobre originados por fabricantes diferentes desarrollan fuerzas electromotrices de termopares en forma de cargas de voltios, algunas de hasta cientos de nanovoltios / ° C. A medida que las pistas de la placa de circuito impresa entran en contacto con los cables de los semiconductores, las uniones de cobre y kovar pueden actuar como generadores electromotores térmicos con un potencial de más de treinta microvoltios / ° C. Un valor como este, es más alto que el desplazamiento de algunos semiconductores. Cuando las partes internas de una máquina electrónica muestran un aumento térmico, las cifras como éstas comienzan como sujetos de adición.

Las aplicaciones de precisión requieren que los diseñadores seleccionen conectores, resistencias, interruptores, relés y otros componentes electrónicos para una baja actividad de fuerza electromotriz térmica. También hay una serie de técnicas para reducir el termopar EMF; hay dos uniones formadas en cada extremo de la resistencia, y si estas uniones están en el mismo gradiente de temperatura, sus emisiones térmicas se cancelarán entre sí de manera efectiva. La forma más fácil de evitar los efectos de la fuerza electromotriz del termopar es evitar uniones innecesarias. En los casos en que esto simplemente no es posible, el diseñador puede intentar equilibrar el número y el tipo de uniones para que se produzca una cancelación diferencial.

En ciertos escenarios, las frecuencias de radio y los pulsos de alta velocidad equivalentes pueden introducir interferencias en otros dispositivos. Los dispositivos digitales de alta potencia, a diferencia de los tipos generalmente aprobados para su uso en el hogar, pueden afectar negativamente el rendimiento de alta frecuencia de un dispositivo amplificador al introducir ritmos en el mecanismo de reproducción del dispositivo adyacente. Las fuentes de alimentación de modo conmutado funcionan a bajas frecuencias de radio, y aquellas que no utilizan las técnicas de filtrado adecuadas pueden superponer las corrientes de ruido en los componentes electrónicos adyacentes. Sin embargo, los efectos negativos más comunes de estas fuentes de alimentación provienen de los ruidos acústicos sub-armónicos que se transmiten por la estructura y que pueden variar hasta frecuencias audibles.

Los campos electromagnéticos de los transformadores, bobinas y otros inductores pueden superponer  formas de ruido en algunos componentes en sus inmediaciones. Se debe tener cuidado de que el diseño y las propiedades intrínsecas del componente electrónico no los hagan susceptibles de generar o recibir señales en niveles que puedan comprometer su rendimiento. Las formas de ruido de los campos electromagnéticos incluyen zumbidos audibles, y comportamientos de dron.

El ruido también puede resultar de la fuente de alimentación sin que necesariamente se transmita a través de interferencias electromagnéticas. El ruido eléctrico se puede sumar y amplificar como resultado de una relación de rechazo de alimentación pobre. Muchos diseños de audiófilos utilizan topologías inadecuadas para los dispositivos elegidos, lo que demuestra un rechazo insuficiente del ruido de modo común. Para combatir esto, compensarán sus errores combinándolos con bancos de filtros innecesariamente sobre construidos y la adición de técnicas de filtrado sucesivas. En algunos casos, estos diseños han presentado hasta varios millones de micro-faradios de capacitancia del filtro, donde un amplificador adecuadamente diseñado habría ofrecido un mejor rendimiento de ruido con una décima parte de la capacitancia. En los diseños de válvulas termoiónicas, la tensión de alimentación del calentador puede inducir un zumbido, que se recoge en el ánodo o la salida del cátodo. Para aplicaciones de pequeña señal, los calentadores de corriente continua evitan el problema, y ​​para las válvulas de mayor potencia, llevar los calentadores de tal manera que puedan ser referenciados a un punto de pseudo-tierra puede eliminar el problema.

El ruido es siempre uno de los comportamientos del diseño que se debe equilibrar y sopesar. En el proceso de reducir la magnitud del ruido, es posible que afecte de manera adversa a otro aspecto de rendimiento de un diseño. Como tal, es importante que el ingeniero ejecute métodos comprobados y los aplique adecuadamente en el diseño en cuestión. Algunos diseñadores usan reguladores y condensadores de filtro de la fuente juntos para reducir la ondulación de voltaje en reposo y para mantener la salida nominal bajo cargas pesadas u otras fluctuaciones. Algunos usan varios reguladores en serie, otros usan reguladores de derivación en paralelo. Los bancos de filtrado CRC y CLC son particularmente efectivos en amplificadores de corriente constante, donde la caída de voltaje sigue siendo un factor constante. El mejor de estos ejemplos generalmente mantiene fluctuaciones de voltaje tan pequeñas como varias docenas de millonésimas de voltio cuando se alimenta desde un tomacorriente común. La fuente de alimentación asociada con mi preamplificador de tubo de vacío personal, que diseñé, ve menos de un UV de rizado en sus rieles de suministro. Para poner esto dentro de la perspectiva, hay una mayor fluctuación de suministro dentro de un dispositivo de audio móvil alimentado por batería en el orden de varias magnitudes.

En el contexto de las nociones generales aceptadas sobre el filtrado del amplificador de potencia, en realidad resulta más difícil lograr una gran magnitud de rechazo de ruido de línea en el diseño típico de doble extremo. Es bastante fácil construir una fuente de alimentación para cumplir con los requisitos de espacio para un amplificador que opera en la clase AB, pero debido a la fluctuación en el consumo de corriente, la carga en el transformador, el regulador y el banco de filtros varía mucho. Como resultado, también lo hace la distorsión, la interferencia y el ruido en los rieles de suministro. La inversión inicial en componentes para un diseño de fuente de alimentación de clase A, ya sea de un solo extremo o de la variedad push-pull, es considerablemente mayor, y tiene que ser para hacer frente con eficacia al aumento térmico. Sin embargo, la caída en la línea siguen siendo un punto de datos constante en todo momento, es relativamente fácil aislar y resolver cualquier ruido dinámico y armónicos que permanezcan en los rieles de suministro.

Para describir el nivel de ruido introducido por un dispositivo, el término piso de ruido se aplica a las cifras estadísticas acumuladas. Los valores medios de los ruidos de fondo se promedian a lo largo del tiempo para proporcionar un nivel confiable, que luego se representa en decibelios. Debajo de ese punto, cualquier magnitud de señal menor que el piso de ruido se oscurece y no se puede identificar. Esta señal más baja sobre el piso de ruido que se puede identificar fácilmente se denomina señal mínima discernible, abreviada MDS The Noise Floor es útil por sí misma y para determinar el rango dinámico del dispositivo.

La relación señal / ruido, abreviado SNR, es la diferencia entre la capacidad de señal dinámica máxima de un dispositivo y el piso de ruido de los circuitos. Abreviado como SNR, este es el método más común de identificación de ruido entre los productos de audio. Aunque modelar y calcular estas cifras es un poco complicado, comprender la relación señal-ruido es bastante sencillo; un dispositivo con una SNR retórica de 105 decibelios coloca su piso de ruido 105 decibelios por debajo de la señal, en el nivel al que se hace referencia con respecto a los métodos de ponderación. Las mediciones no ponderadas son las más útiles, ya que incluyen los espectros de ruido de alta y baja frecuencia. Este tipo de distorsión es importante, ya que una baja relación señal-ruido puede ocultar pequeñas señales e incluso crear un ruido de fondo audible constante. El ruido también está sujeto a ser amplificado por etapas sucesivas. Para demostrar esto, considere un amplificador de potencia con treinta decibeles de ganancia, inactivo con un preamplificador que tenga un valor nominal de Señal a Ruido de 105 decibelios. Treinta decibelios de ganancia en el amplificador de potencia colocan el ruido en 25 decibelios. Dependiendo de la sensibilidad de los altavoces y de los espectros de ruido, el ruido puede ser audible cuando está sentado cerca.

Gama dinámica

El rango dinámico es la región de potencia sobre la cual un amplificador proporciona una operación lineal útil, donde el límite inferior depende de la cifra de ruido y el nivel superior es una función del punto de compresión de 1dB y el inicio del recorte. Se describe como el nivel más alto que un dispositivo puede obtener en ganancia máxima, en comparación con el piso de ruido. La abreviatura de Dynamic Range es DNR. Para un amplificador con un piso de ruido de -90 decibelios y una ganancia de veinte decibelios, el rango dinámico se expresaría como 110 decibelios. Los amplificadores que generan mucho ruido y no pueden ofrecer suficiente ganancia para superar su propio nivel de ruido, tienen un rango dinámico más bajo. Como resultado, cuando el ruido estocástico es alto, los detalles más finos y las señales de audio de bajo nivel pueden quedar ocultas.

Rango dinámico descendente

El rango dinámico descendente es un nombre inapropiado para el umbral de ganancia. Este término falso fue propuesto por un entusiasta de las válvulas termiónicas a mediados de los años noventa. A menudo abreviado DDR, el rango dinámico descendente se pretendía como la capacidad de reproducir información en una amplitud no especificada por debajo de la señal de música promedio. Los valores indicados estaban sujetos a cambios, lo que a menudo resultaba en el caso de intentar asignar un nuevo título donde ya existía una clasificación. Algunos artículos sobre DDR se propagaron a través de Internet, y ninguno fue aceptado por entidades de ingeniería científica acreditadas. De otro modo, la DDR se describe con precisión mediante dos mediciones y distorsiones existentes: ganancia de linealidad y distorsión cruzada.

Sensibilidad e impedancia

La sensibilidad determina qué tan fuerte debe ser una señal de entrada. El voltaje debe hacer que un dispositivo bajo prueba produzca o exceda su nivel de salida máximo. La sensibilidad se define como la entrada en voltios en relación con la salida establecida, que en sí misma puede estar en voltios o vatios. La sensibilidad y la impedancia van de la mano ya que son inseparables. La impedancia de entrada debe ser lo suficientemente alta como para permitir que se use con el dispositivo fuente previsto sin distorsión, pero la resistencia en serie utilizada debe ser lo más baja posible para mantener un piso de bajo ruido. Las redes divisoras potenciales reducen el nivel de una señal entrante al dividir el voltaje de la señal entrante con una resistencia en serie y en paralelo. Estas redes pueden ser tan simples como potenciómetros, o conjuntos de resistencias de valor fijo, y configuran en gran medida la impedancia de entrada.

Como lo indica el nombre, la impedancia no es puramente resistiva. Eso significa que también debe ser reactivo, y la reactividad se debe al uso de dispositivos de almacenamiento de energía y componentes activos que siguen la red de donde corresponda. Una parte importante de la impedancia de entrada que a menudo se omite entre las especificaciones de un producto de audio es la capacitancia, medida en pico-faradios (pF). Como se discutió en la sección que cubre la estabilidad, un dispositivo seguido de una carga exige que se haya diseñado para un funcionamiento estable, independientemente de la impedancia de la carga.

"El equipo profesional y el equipo doméstico de alta fidelidad para el consumidor operan a diferentes niveles de entrada y salida, y requieren una fuente y una impedancia de carga diferentes para funcionar correctamente".
A medida que se reduce la componente resistiva relativa a un módulo de impedancia, la impedancia acumulada está constituida por una mayor proporción de desplazamiento de fase. A medida que aumenta la porción resistiva de la impedancia, se reduce el efecto negativo de la fase sobre la etapa. Para comprender mejor este conocimiento, se entiende que la intensidad de la señal de salida y el consumo de corriente varían con la impedancia de carga. Si bien no se define la transición exacta entre la impedancia baja y alta, la distinción sigue siendo importante. Esto se debe principalmente a que la impedancia de salida de una fuente determina la longitud del cable que se puede conectar entre él y una carga antes de que ocurra una pérdida grave de altas frecuencias. Las pérdidas se producen porque todos los cables, y especialmente los cables blindados, exhiben una capacitancia dispersa entre sus conductores que actúa como un filtro de paso bajo.

Si uno navega por Internet en busca de la diferencia fundamental entre los equipos de audio para el consumidor, recibirán muchas explicaciones diferentes. Entre las afirmaciones, se encuentran la entrega de potencia, la robustez, las características, las conexiones equilibradas e incluso los materiales. A la luz de esto, ninguno de estos constituye la división real entre los dos. La diferencia radica en su respectiva fuente e impedancia de terminación. El equipo profesional y el equipo doméstico de alta fidelidad para el consumidor operan a diferentes niveles de entrada y salida, y requieren una fuente diferente y una impedancia de carga para funcionar correctamente. Aquí, vamos a investigar esto.

A veces hay un malentendido con respecto a la naturaleza de la adaptación de impedancia y la relación entre la impedancia de entrada real y la impedancia nominal de la fuente. La mayoría de las salidas de equipos electrónicos funcionan bien cuando son terminadas por una carga que tiene la misma impedancia o una impedancia real más alta. Las salidas generalmente están sobrecargadas cuando se terminan por una impedancia que es menor que la impedancia de la fuente. Cuando la impedancia de entrada real del dispositivo de carga es casi la misma impedancia que la salida de la fuente, esto se conoce como carga coincidente. Siempre que haya un cambio de fase mínimo presente, este tipo de conexión funciona bien y ofrece el máximo rechazo de ruido. Es más común entre los equipos de audio profesional y como hay una pérdida de aproximadamente tres a seis decibeles, los niveles de señal son más altos. Para mayor claridad, la atenuación en la amplitud general no debe confundirse con la distorsión, que es una situación diferente. Estas pérdidas de nivel son normales y no presentan problemas para los dispositivos que han sido diseñados para acomodarlos. Cuando la entrada del siguiente dispositivo es diez veces la impedancia de la fuente, la entrada se considera una entrada puente. Este tipo es el más común entre los equipos de audio para el hogar, y hay muy poca pérdida de nivel de señal cuando una entrada se conecta ha el dispositivo fuente. Sin embargo, estos dispositivos generalmente excluyen las consideraciones de diseño para tratar efectivamente con la impedancia combinada.

Entre los equipos de audio profesional, las entradas están diseñadas para ser manejadas desde una fuente de baja impedancia, comúnmente entre ciento cincuenta y seiscientos ohmios, y sus salidas están diseñadas para manejar cargas de seiscientos ohmios. Estos valores de entrada están regulados como estándar, lo que permite que amplios rangos de equipos de diferente procedencia operen con unidad y una desviación en el nivel de no más de un par de decibelios. Donde las señales suelen ser bastante altas y los tendidos de cables son largos, la baja impedancia garantiza un nivel de ruido suficientemente bajo y reduce la susceptibilidad a las interferencias de radiofrecuencia. En muchos casos, las interconexiones reales pueden ser equilibradas o flotantes, dependiendo de la longitud del tendido del cable, y con frecuencia se realizan utilizando transformadores de acoplamiento para aumentar aún más el aislamiento del ruido. Los equipos semiprofesionales abarcan el abismo entre los grupos de consumidores y que funcionan bien con una gama más amplia de dispositivos. Cuentan con una impedancia de entrada más alta en conjunto con niveles ajustables, lo que les permite trabajar con equipos de audio domésticos, siempre y cuando se tomen las precauciones.

El equipo de audio del consumidor normalmente ve una impedancia de entrada que se extiende entre cuarenta y siete mil ohmios y cien mil ohmios. Este equipo de audio normalmente no está diseñado para impulsar cargas más bajas y no puede funcionar en una proporción de 1: 1. El objetivo generalmente es mantener la impedancia de salida lo más baja posible, aunque la impedancia de más de varios miles de ohmios ha sido común. Algunos componentes de estado gaseoso incluso cuentan con una carga de un megaOhm, aunque una impedancia tan alta genera un ruido considerable en varios frentes. La mayoría de las conexiones están desequilibradas porque las cortas ejecuciones de interconexión no son tan susceptibles de mantener el ruido, aunque puede ocurrir en entornos ruidosos y donde existe un problema de conexión a tierra. Cuando el diseñador busca un mejor rendimiento de ruido, uno puede encontrar que la impedancia de entrada es menor y alrededor de diez mil a veinte mil ohmios. La conexión de una fuente de consumo a algunos componentes específicos de proaudio puede impedir la reproducción de un nivel superior junto con un cierto nivel de ennui, o incluso inducir distorsión e inestabilidad donde las etapas del controlador no fueron diseñadas para la baja impedancia y la reactividad.

Distorsión de recorte

El recorte es una operación no lineal de dispositivos electrónicos en los que los picos y los valles de la señal de salida se aplanan como resultado de exceder la capacidad máxima de un amplificador. El resultado de sobrecargar un amplificador es que el dispositivo alcanza su máximo voltaje de salida alcanzable antes  que haya sido capaz de reproducir completamente los picos de las formas de onda. Dado que la tensión de salida ha llegado a su fin, los picos se alisan, y esto es lo que llamamos "recorte". La distorsión de recorte se ha definido con mayor frecuencia como el punto en el que la distorsión armónica había surgido al 1%, pero esto ha cambiado con el tiempo. Diferentes fabricantes pueden ampliar esta cifra para satisfacer sus propias necesidades de marketing, mientras que otros la han reducido para demostrar la linealidad de su diseño en vastos rangos de potencia. En prácticamente todos los casos, esta distorsión de recorte es una referencia que incluye la medición de THD en un kilohertz y en la potencia más alta posible.