17.1.3: Amplificación

En el diagrama de la izquierda, a continuación, podemos imaginar un pequeño flujo de agua (etiquetado Señal) controlando un flujo de agua mayor. Esta es la idea general de la amplificación electrónica; un gran flujo de corriente es controlado por una pequeña señal de corriente o voltaje. Originalmente esto se hizo usando un tubo de vacío. Como se muestra en la segunda figura a continuación, el tubo tiene un extremo positivo (ánodo) y un extremo negativo (cátodo) y se ha eliminado todo el aire. Se aplica una gran tensión de ánodo a cátodo para que los electrones fluyan del cátodo al ánodo (solo para ser claros, recordemos esa corriente convencional,\(I\) en Amperios de los que hablamos en el último capítulo está etiquetada para fluir en la dirección opuesta al flujo de electrones). Una rejilla de alambre llamada rejilla se coloca entre el ánodo y el cátodo. Si la rejilla es neutra, el flujo de electrones del cátodo al ánodo pasa a través de la rejilla y se produce una corriente continua constante. Si se aplica una pequeña señal a la red afecta el flujo de corriente mucho mayor entre el ánodo y el cátodo. Entonces, por ejemplo, una onda sinusoidal de baja tensión aplicada a la red se convierte en una gran onda sinusoidal de corriente que fluye a través del tubo. La relación de la señal de salida a la señal de entrada se llama ganancia. Esto se puede medir como ganancia de voltaje (relación de salida de voltaje a entrada de voltaje) o ganancia de corriente (relación de salida de corriente a corriente adentro).

Figura\(\PageIndex{1}\)

A pesar de que necesitan mucha más energía para funcionar que los modernos circuitos de amplificación de estado sólido, los amplificadores de tubo siguen siendo utilizados por los militares para la transmisión de radar y radio de alta potencia. Algunos audiófilos afirman que los amplificadores de tubo producen un mejor sonido que los amplificadores de estado sólido. Una desventaja de los amplificadores de tubo es que los tubos ocupan mucho espacio, son pesados, usan mucha más energía que los transistores y dejarán de funcionar si se rompe el sello al vacío.

Los transistores se desarrollaron en la década de 1940 y reemplazaron gradualmente la mayoría de los tubos de vacío en aplicaciones electrónicas. Los transistores funcionan básicamente de la misma manera que un tubo de vacío. Dos cristales (hechos de silicio o germanio) con propiedades eléctricas ligeramente diferentes se juntan separados por un tercer cristal como se muestra en la figura de la derecha, arriba. El extremo emisor del transistor está hecho para que tenga electrones listos para fluir y el extremo colector aceptará estos electrones. Cuando se aplica una tensión a través del transistor, una corriente fluye a través del transistor y los electrones fluyen del emisor al colector. La función de la rejilla en un tubo es realizada por un cristal llamado la base que tiene propiedades eléctricas ligeramente diferentes a las del emisor o colector. Cuando se aplica una pequeña señal a través de la base, la mayor corriente que fluye del emisor al colector se controla para tener las mismas variaciones que la señal. Los términos emisor, colector y base son reemplazados por fuente, drenaje y compuerta para algunos otros tipos de transistores utilizando diferentes cristales con diferentes propiedades eléctricas.

Los amplificadores de transistores toman mucha menos energía para funcionar que los amplificadores de tubo y generalmente pueden soportar mucho más abuso físico (choque, cambios de temperatura, etc.) y seguir funcionando. En teoría un transistor debería durar para siempre porque es un cristal sólido aunque algunos transistores pueden ser destruidos por chispas electrostáticas. También se pueden hacer increíblemente pequeños (los chips de computadora de hoy en día contienen miles de millones (\(10^{9}\)) de transistores), haciendo posibles teléfonos celulares, reproductores de mp3 y otros pequeños dispositivos electrónicos.

Además de ser utilizados como amplificadores, los transistores (y tubos) también se pueden utilizar como interruptores electrónicos. En esta aplicación, la señal a la base o bien permite que la corriente fluya de emisor a colector o apaga completamente la corriente. Los transistores que funcionan de esta manera pueden ser utilizados para representar unos (todo el camino encendido) o ceros (todo el camino apagado) en una computadora digital.

Toda amplificación sufre de distorsión. Un perfecto proceso de grabación y reproducción reproduciría exactamente el sonido original pero esto nunca es posible; siempre hay algunas modificaciones no deseadas en el sonido. Micrófonos, dispositivos de grabación, altavoces y sistemas de amplificación producen alguna distorsión de la señal. La diferencia entre ruido y distorsión es que el ruido es extra, señales no deseadas mientras que la distorsión es la modificación no deseada de la señal.

Una forma de distorsión es cuando la salida de voltaje ya está al máximo posible para el circuito y la amplitud de la señal aumenta. El resultado es que los picos de la señal de salida se cortan como se muestra en el diagrama a continuación. La señal original es la curva azul pero el amplificador tiene una salida máxima de\(0.6\text{ V}\) por lo que recorta cualquier parte de la señal anterior\(0.6\text{ V}\) (la curva roja). La señal amplificada no sonará bien porque el volumen no aumenta de la manera en que se supone que lo hacía en la grabación original. Esto se llama distorsión de amplitud.

Figura\(\PageIndex{2}\)

Cuando hay distorsión de amplitud el efecto de aplanar la parte superior de la onda de salida cuando llega al altavoz es introducir armónicos no deseados. Sabemos por el análisis de Fourier (Capítulo 9) que el cambio repentino de una curva suave a una parte superior plana requiere muchos armónicos adicionales para describir la nueva ola. Estos nuevos armónicos cambian el sonido producido por el sistema amplificador/altavoz. Este tipo de distorsión se llama distorsión armónica. La distorsión armónica también ocurre si diferentes rangos de frecuencia se amplifican en diferentes cantidades (en cualquier parte de la secuencia de grabación a reproducción), incluso si la amplitud no está aplanada.

La mayoría de los amplificadores (¡y micrófonos y altavoces!) no tratar todas las frecuencias de la misma manera. Por ejemplo, el amplificador puede ser capaz de amplificar las frecuencias altas mejor que las frecuencias bajas. O puede que no pueda reaccionar lo suficientemente rápido como para amplificar las altas frecuencias con precisión. Esto se llama distorsión de frecuencia.

Ya hemos mencionado que los micrófonos no producen una corriente con la misma fase del sonido original. Los amplificadores también pueden tener este problema dependiendo de cómo se construyan. Si la fase de la onda de salida no es la misma que la fuente de entrada, hay distorsión de fase en la salida.

En ocasiones, la electrónica y el software se utilizan para modificar intencionalmente una señal para que suene diferente, como se menciona en el Capítulo 16. Un ejemplo es agregar reverberación para hacer que el sonido de grabación sea más natural, como si se grabara en una sala de conciertos en lugar de en un estudio. Los siguientes dos videos explican en detalle una forma de reverberación se puede agregar a una señal grabada para que suene como si estuviera grabada en algún lugar que no sea un estudio: el sitio web Altiverb y el sitio web The 3-D Audio and Applied Acoustics (3D3A) Laboratory en la Universidad de Princeton. También está disponible software comercial, por ejemplo Room EQ Wizard. Técnicas similares se pueden utilizar para mejorar el sonido de un auditorio si se está utilizando amplificación electrónica; las señales de los micrófonos pueden retrasarse o modificarse para proporcionar una mejor interacción con la acústica de la sala.