Control de tonos

Este circuito está dibujado como una unidad portátil, armada en una pequeña caja y con dos conectores Canon o DIN. También podría ubicarlo dentro de una guitarra eléctrica. Una batería de 9V lo alimenta y es posible conectar una fuente externa. La entrada admite hasta 30 milivoltios y en ambos extremos de banda se obtienen refuerzos o atenuaciones máximas de 20 dB. Es un circuito clásico por contrarreacción (realimentación negativa) y tiene "sus añitos".

Pre-amplificador Wiliamson de 1952 con EF37A

    Este pre-amplificador fue diseñado en 1949, pero aquí se muestra con algunas modificaciones introducidas en 1952. El contenido de este artículo es una traducción parcial y libre de la obra: «The Williamson Amplifier. A Collection of Articles Reprinted from "Wireless World", on "Design for a High-quality Amplifier"». Esperaba poder incluir aquí un enlace al sitio desde donde bajé el archivo en formato pdf., para aquellos que quisieran leer todo el documento. No pude hallarlo como hace un tiempo atrás. En su lugar, hay anuncios de librerías que ofrecen el mismo impreso por 76 dólares estadounidenses. Los dibujos, aunque copiados de los originales, han sido reelaborados por mí, con algunos detalles modificados.

    La mayoría de los amplificadores destinados a la reproducción del sonido son diseñados para tener respuesta uniforme a las frecuencias de todo el espectro audible, y los diseñadores de pick-ups, micrófonos y parlantes (o altavoces)  tienen la misma intención de darle similares características de uniformidad de respuesta a sus productos. Esto representa el intento de cumplir con uno de los requisitos para la creación de una réplica perfecta del sonido original y proporciona una base común para el proyecto de unidades individuales, las que conectadas entre sí constituirán un canal completo con característica uniforme de ganancia/frecuencia.

    Consideraciones de naturaleza ingenieril muchas veces hacen que sea deseable, y eventualmente esencial, partir de este ideal de una respuesta uniforme en ciertas secciones del equipo. Muy frecuentemente el uso de equipos de inferior calidad o líneas de transmisión largas o inadecuadas nos conducen a un alejamiento indeseado de la uniformidad de respuesta. En casos como éste, otras "unidades igualadoras" (mal llamadas «ecualizadoras») deben ser insertadas para suministrar características que son las opuestas a aquellas propias de la sección que degrada la reproducción, para remediar el defecto.

    Cuando las condiciones de audición se apartan de las ideales -y esto, desafortunadamente, ocurre frecuentemente, dado que la mayoría de los estares (o livingrooms) son inadecuados para la reproducción de música orquestal en intensidades comparables a las reales- algunas veces es beneficioso modificar la característica de respuesta de frecuencias del equipo, en un intento de compensación de los defectos más obvios de la acústica del recinto. La palabra "intento" está usada a plena conciencia, pues solamente una muy compleja compensación de la respuesta del equipo sería capaz de "aplanar" exactamente la acústica del salón de audición. Por ejemplo: podríamos usar un corrector por tercios de octava y un micrófono patrón en el lugar exacto de escucha. Sin embargo, cualquier corrector tonal contiene elementos reactivos y estos producen distorsiones de fase en la respuesta. Este asunto de la compensación de frecuencias, que es deseable cuando nos apartamos de las condiciones ideales, es una cuestión espinosa y muy subjetiva. Provoca muy acaloradas, dogmáticas, y frecuentemente muy poco científicas discusiones, y está más allá de lo que pretendo tratar aquí. Debería bastar con decir que el tema es uno en el que el individuo tendrá que usar su propio juicio y actuar en consecuencia.

    Un preamplificador diseñado para ser usado conjuntamente con grabaciones analógicas en discos y programas de radio debería ser capaz de proveer compensación variable para los defectos que suelen provenir de la fuente y disminuirlos. Adicionalmente, habría que suministrar compensación fija suplementaria para las desviaciones intencionales que se introducen en las grabaciones de discos analógicos (énfasis de agudos para alejar el ruido de púa de la señal o pérdida de graves para alargar la duración del disco y no sobrecargar la cápsula).

    El grado de complicación que merezca la pena en tal unidad debe ser considerado. En teoría, es posible compensar precisamente por deficiencias en la amplitud / frecuencia y las características de respuesta de fase / frecuencia, pero el equipo para hacer esto es complicado y costoso.Cuando una porción considerable del canal está fuera del control del oyente, como en el caso cuando se están reproduciendo registros de las transmisiones de broadcasting (radio-difusión: broadcasting significa literalmente "sembrar al voleo", es una expresión idiomática tomada del vocabulario de los productores agrícolas), no tiene medios, aparte de la sensibilidad y el entrenamiento de sus oídos, de determinar los defectos que se han producido en esa porción.Dado que es imposible determinar la naturaleza y la cantidad de distorsión de fase escuchando una transmisión, y ya que no es habitual que se preste mucha atención a este tipo de distorsión en la grabación en el extremo transmisor, parece haber poca justificación para la inclusión de redes de corrección de fase en un equipamiento doméstico. En el caso de un sistema de reproducción de sonido que está completamente bajo el control del usuario, particularmente si es estereofónico, la distorsión de fase no se debe permitir que ocurra si se pretende obtener la calidad más alta posible. Esto es especialmente cierto en las bajas frecuencias, en donde están implicados considerables retrasos de tiempo. Una distorsión de fase baja se logra mejor mediante el diseño de un sistema con un ancho de banda mucho mayor que el rango audible, pero cuando esto no sea posible, una compensación puede ser proporcionada.

    El examen de las causas de la distorsión de frecuencia conduce a la conclusión de que es normal que los niveles en el extremo del espectro sean acentuados o atenuados progresivamente con respecto al nivel en las frecuencias medias y una forma de compensación para corregir esto responde a la mayoría de necesidades. . No es posible establecer normas estrictas sobre la cantidad de compensación necesaria, pero las tasas de atenuación o acentuación superiores a 6 dB / octava no suelen ser necesarias.

    Como a menudo es conveniente cambiar el monto de la compensación durante un programa sin llamar la atención sobre el hecho, los métodos que den un control continuo sobre la respuesta deben ser preferidos a los sistemas de conmutación, a menos que éste se gradúe en pasos muy finos.

    El uso de inductores para proporcionar compensación de ganancia / frecuencia debe ser desaprobado ya que, además de posibles problemas debido a los efectos de resonancia y la no linealidad, son muy susceptibles de recoger zumbido de los campos magnéticos alternos dispersos, sobre todo si son con núcleo de aire . Los toroides con núcleo de metal o polvo son menos problemáticos en este aspecto, pero son caros y no pueden obtenerse fácilmente.

Compensación de frecuencia

    La figura 1  muestra un circuito de compensación simple que reúne acentuación y atenuación de bajos y agudos sin utilizar inductores. Los controles consisten en dos potenciómetros, cada uno de ellos asociado a una llave de cambio. Consideremos el control de bajos y la llave de dos polos y dos posiciones. Cuando el potenciómetro de graves está completamente girado en sentido antihorario (resistencia mínima) la respuesta de frecuencias por debajo de 1.000 Hz es uniforme. Si la llave es puesta en la posición "refuerzo -o realce-" (Rise), a medida que el potenciómetro sea girado en el sentido horario, la característica de amplitud/frecuencia crecerá en las bajas frecuencias hasta el máximo que puede verse en la figura 2. Si la llave es puesta en la posición "caída" (o atenuación; "fall") y el potenciómetro de bajos es rotado progresivamente en el sentido de las agujas del reloj desde el mínimo, será introducida una disminución progresiva de graves. De una manera similar, mediante el uso del potenciómetro de agudos y su llave correspondiente, la respuesta de altos es continuamente variable entre el máximo y el mínimo mostrados en la figura 2, con los valores de capacidades dados.
    La atenuación introducida por la red cuando los controles están en la posición de equilibrio es de 24 dB, y la red debe ser insertada en donde el nivel de señal sea tal que la válvula siguiente no sea sobrecargada.

Filtro pasabajos

    La mayoría de las transmisiones de radiodifusión de ondas medias, cuando son reproducidas por equipos de alto rango, muestran una muy objetable forma de distorsión no lineal. Esta toma la forma de un traqueteo o de un zumbido que acompaña a los sonidos transitorios como la música en pianoforte. Este tipo de distorsión es comúnmente causada por discontinuidades menores en la característica de transferencia y frecuentemente se la asocia con los amplificadores en clase "B". 

    Los defectos de registro y procesamiento, el desgaste del registro y el seguimiento imperfecto del pick-up producen un tipo similar de distorsión en los discos gramofónicos.
    Los componentes de frecuencia más ofensivos del traqueteo o zumbido se presentan generalmente en el extremo superior del espectro audible, en donde la severidad de los efectos aumentan. Afortunadamente, la concentración de este tipo de distorsión en el extremo superior del espectro hace que sea posible efectuar una mejora considerable mediante la eliminación o la reducción de la energía de la señal en estas frecuencias.
    Un filtro pasa-bajos con una frecuencia de corte variable entre 5 KHz y 15 KHz y con una alta relación de atenuación por encima de la frecuencia de corte es una muy buena manera de asegurar el mejor resultado aural posible para cualquier transmisión o grabación.
    A pesar de que es posible proporcionar un filtro con una frecuencia de corte continuamente variable, el costo y la complicación no están normalmente justificados y una selección de conmutación de frecuencias es satisfactoria. Para alcanzar las altas tasas de atenuación necesarias para garantizar resultados satisfactorios un tipo normal de filtro de una sección resonante podría ser usado, pero esto lleva consigo las desventajas asociadas con el uso de inductores.
    Un tipo alternativo de filtro utilizando sólo elementos resistivos y capacitivos basado en una red T en paralelo es capaz de dar resultados muy complacientes.
    Un filtro diseñado en base a esto último, con cinco posiciones de conmutación dando unas frecuencias nominales de corte de 5, 7, 10 y 13 KHz y una posición "lineal", se incorpora en el circuito final. Su respuesta se muestra en la Figura 7.

Preamplificador para gramófono

    Las estructuras recién descriptas son generalmente todo lo que es necesario para compensar los defectos de las radiotransmisiones. Para la reproducción de grabaciones discográficas, sin embargo, se necesita una compensación fija adicional. La naturaleza de esta compensación dependerá de la característica de grabación y del tipo de pick-up usado.

    Por razones ahora bien conocidas como para ser repetidas, las grabaciones discográficas laterales son usualmente cortadas con una amplitud de surco que es proporcional a la señal por sobre una frecuencia arbitraria elegida en la región de los 300-400 Hz y con una velocidad lateral que es proporcional a la señal por sobre esa frecuencia. Para mejorar la relación señal/ruido ahora es común aumentar el nivel de grabación en altas frecuencias. esto es particularmente efectivo, desde que la energía de ruido por ciclo se incrementa con la frecuencia, de acuerdo a la estructura del material de las grabaciones.

    La mayoría de los fonocaptores, con la excepción de los captores piezoeléctricos, dan una salida eléctrica que es proporcional a la velocidad lateral de la púa. El preamplificador debe tener una característica de respuesta inversa a la resultante de la reproducción de una grabación corregida con atenuación de graves y refuerzo de agudos; o sea, atenuar agudos y reforzar graves.

Algunas propiedades deseables para un preamplificador de pick-up son:

1) Bajo nivel de ruido.
2) Baja distorsión en los niveles de señal como los que se hallan con pick-ups de uso común.
3) Atenuación intensa por debajo de los 20 Hz para suprimir el rumble de la bandeja giradiscos.
4) posibilidad de variar la ganancia eléctricamente.

Nivel de ruido.- Atenerse a un bajo nivel de ruido en un sistema de sonido de alta calidad es de una importancia tal que unas pocas apreciaciones de naturaleza general no estarán fuera de lugar en esta ocasión.

    Es un hecho desafortunado que las mejoras en el sentido de lograr mayor rango de frecuencias y ausencia de otras formas de distorsión en micrófonos y fonocaptores son casi siempre logrados a expensas de la amplitud de la salida eléctrica.

    Esto no significa necesariamente que la eficiencia del transductor se reduzca por las otras mejoras, sino simplemente que se extrae menos energía del campo acústico o desde el surco del registro sobre el cual acciona, causando menos perturbación de este campo, o un menor desgaste del surco del disco.

    Hay, sin embargo, un límite a esta tendencia establecido por el ruido generado por la agitación térmica en el transductor y sus auxiliares y por el ruido producido en primera válvula del amplificador. Es deseable en un sistema de sonido de amplio espectro, de alta calidad,  intentar mantener una relación de señal / ruido pico de al menos 70 dB. Esta cifra representa lo mejor que se puede lograr con una grabación directa de un disco de celulosa cuando todo "está justo", y es de esperar que las normas de las grabaciones de discos comerciales se acercarán a este nivel cuando las técnicas mejoradas se combinen con los nuevos materiales para discos. Un grabador de cinta magnética bien diseñado dará una relación señal / ruido de 70-80 dB, y el uso creciente de este tipo de equipos, sin duda, dará un impulso a las investigaciones necesarias para el logro de normas similares en otras formas de grabación. Con una relación de señal / ruido de 70 dB, un sistema de reproducción de sonido con una respuesta de frecuencia plana hasta 20.000 Hz que funcione a un nivel de volumen realista produce, en ausencia de una señal, un ruido que es sólo audible como un susurro muy suave y es completamente inofensivo.

     La mayoría de los micrófonos modernos y los fonocaptores son electromagnéticos, aunque es una tendencia de diseño de micrófonos gravitar hacia los tipos de condensadores que funcionan con portadora. Estos tienen sus propios problemas y no serán tratados aquí. Los micrófonos electromagnéticos y los fonocaptores se fabrican con impedancias que van desde unos pocos miliohmios hasta varios miles de ohmios, pero se utilizan normalmente en conjunto con un transformador que eleva la impedancia a un valor alto adecuado para que coincida con la impedancia de entrada de una válvula.

     Por razones obvias, es deseable hacer esta impedancia secundaria tan grande como sea posible -por ejemplo varios megaohmios- ya que la salida de tensión del transductor aumentará al mismo tiempo, reduciendo la ganancia requerida del equipo electrónico y la cantidad de ruido aportado por éste.

     No es posible, sin embargo, aumentar la impedancia secundaria mucho más allá de 0,1 megaohmio, si se requiere una respuesta de frecuencia plana desde el transformador a lo ancho de la gama audible.

     El ruido generado por la agitación térmica en un resistor de 0,1 megohm a la temperatura de una habitación es de alrededor de 6 microvoltios para un ancho de banda de 20 KHz. A esto debe ser agregado el ruido producido por la primera válvula del amplificador. Por medio de un diseño cuidadoso y una construcción esmerada, y por el uso de una válvula adecuada, el ruido proveniente de cualquier causa, incluído el zumbido de la fuente, puede ser reducido a un valor equivalente de aproximadamente 3 microvoltios en la grilla, pero bajo condiciones normales un valor de 5 microvoltios es muy representativo. El ruido total debe ser considerado como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de esos valores, o aproximadamente 8 microvoltios. Para obtener una relación señal/ruido de 70 dB, luego, el pico de señal deberá estar 70 dB por encima de ese nivel, digamos 25 mV r.m.s. El preamplificador deberá tener suficiente ganancia para llevar el amplificador de salida a la máxima potencia con una señal de este nivel.

    La elección de un tipo de válvula para la primera etapa debe ser realizada con sumo cuidado. En teoría, para iguales ganancias, el nivel de ruido de una etapa con tríodo es más bajo que el producido por un pentodo, dado que el pentodo tiene una componente de ruido adicional producida por la partición de electrones entre pantalla y ánodo. En los hechos, sin embargo, no hay tríodos de alta ganancia disponibles comercialmente con las características requeridas y estructuras de electrodos como para operar con bajo ruido. Una válvula diseñada para ese función debería tener electrodos rígidamente sujetados para reducir el microfonismo y un filamento balanceado en doble hélice para minimizar el campo eléctrico de corriente alterna en torno al cátodo. El tubo Mullard EF-37 tiene esa construcción y, conectado como pentodo, los niveles de ruido mencionados previamente son obtenibles. Antes de comenzar a trabajar, el lector que no esté familiarizado con la técnica de construcción de amplificadores de alta ganancia debería consultar un artículo al respecto. Una considerable disminución del zumbido residual es comúnmente obtenida desmagnetizando la válvula. Con el fin de obtener la mejor relación señal/ruido, el principio que debe ser seguido, cuando el ruido en la válvula es el factor limitante en amplificadores de alta ganancia, es poner toda la señal disponible en la grilla de entrada y proveer cualquier compensación de frecuencias que sea necesaria después que la amplificación de la señal fue lograda. Mediante este método el ruido de la válvula es incluido en cualquier atenuación que sea efectuada y la relación señal/ruido resulta mejorada.

Baja distorsión

    Hay numerosos métodos para proveer una respuesta que varíe con la frecuencia y, por supuesto, cada método tiene ventajas y desventajas. Donde la respuesta tiene que ser continuamente variable el método que brinde la más grande simplicidad de control triunfa. Manteniendo las otras cosas iguales, sin embargo, los métodos que empleen realimentación negativa selectiva son preferidos, los circuitos de esta naturaleza generalmente tienen un gran manejo de señal y la distorsión no lineal es mantenida en un mínimo. En un preamplificador para fonocaptores esto es muy importante en donde pueden ser utilizados fonocaptores que varíen grandemente sus niveles de salida.

Características del filtro pasa-altos

    Los motores de las bandejas gira-discos tienden a producir vibraciones que es posible que causen ruidos de "rumble" muy molestos en un sistema de rango amplio. Aunque la energía contenida en el "rumble" es relativamente baja, la frecuencia es muy baja también, y provoca movimientos de gran amplitud en el cono del altavoz. Si la bobina móvil del parlante se mueve fuera de la región de densidad de flujo uniforme, todo el espectro que se está reproduciendo estará distorsionado de una manera particularmente desagradable. También es posible que distorsione el transformador de salida.
    Esta situación puede ser decididamente mejorada con la inserción de un filtro de paso de altos con una frecuencia de corte de 20 Hz y una rápida atenuación por debajo de esta frecuencia de corte. En estas bajas frecuencias, los filtros en cuestión están convenientemente compuestos por redes resistencia-capacidad y deberán ser incorporadas en el preamplificador de compensación de bajos.

Preamplificador

    Aunque todos los refinamientos expuestos son, por mucho, deseables, los requerimientos individuales variarán considerablemente y determinarán cuánta complicación será considerada.

    La figura 3 muestra la etapa de entrada con un transformador de micrófono y un filtro pasa-altos que tiene una atenuación de 30 dB/octava por debajo de 20 Hz; mientras que la figura 4 nos describe las redes de compensación de curvas de grabación para discos de pasta y vinilos de las marcas inglesas  Decca y E.M.I. 
 
    El constructor deberá obtener componentes de mucha exactitud o bien tener los medios para medirlos. Las variaciones de los valores de los componentes en estas etapas de filtrado o corrección de tonalidad, pueden cambiar drásticamente la curva de respuesta del preamplificador.

    Se tiene una distorsión armónica bien por debajo de 0,1%. Si no estuviese el filtro pasa-altos, el preamplificador respondería desde los 2 Hz, aproximadamente.

    Las figuras 5 y 6 nos muestran las secciones de controles de tonalidad y el filtro pasa-bajos, construido en torno a un conmutador de tres pisos, dos polos y cinco posiciones. La figura 7 ilustra la respuesta total del preamplificador incluyendo las cinco posiciones del control del filtro pasa-bajos. 

    El diseñador dispuso que era más fácil y barato construir una fuente de alimentación para el preamplificador, siendo conveniente que esté en un gabinete independiente, para eliminar realimentaciones.

    En 1952 no existían componentes tan refinados como los que es posible obtener hoy. Experimentar con ellos puede cambiar notoriamente la tonalidad del aparato. Las válvulas elegidas también influyen. Es posible usar pentodos 6J7 o sus "hermanos" con especificaciones militares.

  

     

Simulador de curvas DECCA y EMI.

La ilustración muestra dos redes que, colocadas entre un generador de audio de tensión constante y un pre-amplificador para cápsula magnética, simulan la salida que leería una cápsula ideal en un disco grabado según las normas inglesas DECCA y EMI.

Si está a nuestro alcance, es mucho mejor hacer grabar un vinilo con un barrido lineal o logarítmico en el espectro audible y a través de estas redes. Luego, medir la salida del pre-amplificador leyendo ese disco con nuestra cápsula, que estará algo alejada de una ideal.

Si la compensación es correcta en la sección correspondiente del circuito del pre-amplificador, la salida será de tensión constante en todo el rango de frecuencias.

Los componentes utilizados deberán tener tolerancias estrechas (1% - 2%) y ser de alta estabilidad.