Etapa de distorsión ajustable

Este sencillo circuito tiene su origen según lo que les anticipaba hace un tiempo en este thread Amplificador "Cuarentena 40 W 8 ohmios +- 32 V" en el que hice mención de la necesidad de contar con algún artilugio interpuesto en la cadena de sonido para procurar minimizar la distorsión propia de un transductor en algún rango posible del espectro y para determinados niveles de amplitud de empleo del mismo.

Si bien existen precedentes de circuitos para generar distorsiones adrede, su empleo (según las intenciones de su diseñador) son más para intentar generar un cambio en la percepción de la imagen sonora que para lo que personalmente busco. Otro punto que me empujó a diseñar mi propio circuito radica en que en el circuito del diseñador Nelson Pass (el generador de H2) existe ganancia, que lo hace particularmente no conveniente de incorporar a mi cadena de sonido personal.

El circuito que les presento, posee la característica de provocar una distorsión dominante de orden par (H2), cuya THD resultante es enteramente ajustable entre los 0,065 % y 3 %. Por otro lado, a diferencia del circuito de Pass, emplea componentes muy sencillos de conseguir por estas latitudes (aunque no necesariamente con el mismo perfil de distorsión logrado) y, como punto interesante, la ganancia se mantiene aceptablemente invariable en todo su ajuste que sea necesario hacer. Para dar un dato, la ganancia solo puede admitir en casos extremos, solo 0,25 dB de modificación en la banda audible (en torno a un nivel promedio de 0 dB de ganancia), con escasa modificación de las frecuencias de corte inferior y superior.

Ante todo se mantuvo la simpleza de diseño, porque su uso va a ser para experimentación. Con el tiempo, podrán aparecer mejoras, de contemplarse necesarias, aunque no creo se precisen, ya que el circuito cumple con su cometido.

Este circuito va colocado en la entrada de nuestro amplificador, sin modificación aparente de amplitudes. Luego, con ayuda de un soft como REW, podremos ajustar ese circuito para intentar minimizar distorsiones acústicas totales en nuestra posición de escucha (al menos en algún rango sensible). Habrá que considerar todo lo que les mencioné en ese otro thread citado, para saber si sus cadenas personales de sonido son aptas para implementar este circuito particular. En mi caso, sería posible porque ataco un amplificador en single ended, lo que me facilita poder generar los componentes que necesito generar sin que sean minimizados por el propio amplificador de salida (por lo particular de sus etapas de entrada y salida).

Circuito de distorsión ajustable.png

Como se puede observar, la salida al amplificador es tomada entre el nodo 6 y 0V. La señal de entrada al circuito se inyecta entre el nodo 7 y 0V (que en mi caso es la salida de la placa de sonido de mi PC).

Distorsión lograda a cada ajuste de potenciómetros.png

Ahí les subo una tabla y su gráfica para cada valor de ajuste de los potenciómetros (que operan en tandem).

Fourier Analysis a distintos ajustes de los potenciómetros.png

Ahí les subo las envolventes de los componentes espectrales de distorsión para cada valor de ajuste de los potenciómetros.

Respuesta en frecuencia a distintos ajustes de los potenciómetros.png

Ahí les subo la respuesta en baja frecuencia, denotando relativa poca modificación con el ajuste de los potenciómetros. La curva verde es para 0% y la roja para 100%, en correspondencia de colores con las curvas de envolventes de los componentes espectrales de distorsión.

PSRR a distintos ajustes de los potenciómetros.png

Por último, el PSRR del circuito a ajustes extremos de distorsión, también en correspondencia de colores con las curvas anteriores.

Con el correr de los días, iré subiendo resultados de la experimentación...
 
El consumo nominal del circuito estará por debajo de los 6 mA por canal (algo por encima de 5,57 mA, para ser precisos), con lo que con un simple regulador fijo de 12 V y de baja corriente estaremos más que cubiertos, aunque nada impide alimentarlo con configuraciones más sencillas y económicas también (zeners, por ejemplo).

La salida del circuito funciona adecuadamente con cualquier impedancia por encima de 10K.

La configuración es no inversora y la fase del contenido espectral dominante (H2) en la amplitud de la señal de diseño es de prácticamente - 90 grados en una muy amplia gama de frecuencias audibles, por lo que habrá que tenerlo presente en cómo actúe con la fase del contenido espectral dominante que pueda llegar a generar la etapa de potencia (si esta última la generara en demasía). Es posible, que en algunos casos sea necesario cambiar la fase directamente en el parlante, para procurar minimizar alguna distorsión acústica total. Después, va a ser necesario considerar cómo quede la fase absoluta del sistema, si es que eso se pretende mantener.

En definitiva, lo que importa, es obtener una cadencia determinada y definida de componentes espectrales en bornes del parlante, que actúen en forma opuesta a la de los propios generados por el propio transductor. Es por eso que hay que tener presente en qué y cómo se encadenan las distintas etapas electrónicas (incluyendo este pre-distorsionador) que deberían provocar las distorsiones previas de origen eléctricas y que minimicen las de origen acústicas.

Distorsión vs Frecuencia a 1 VRMS de entrada y a ajuste de 50%.png
En la gráfica, puede verse que la distorsión total eléctrica a la salida del circuito pre-distorsionador se mantiene bastante constante con la frecuencia, a una misma amplitud de entrada. En esa gráfica, los potenciómetros están al 50 % de su valor.
 
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Básicamente, en este sencillo pre-distorsionador podríamos ajustar la THD inyectada al amplificador entre los rangos citados de 0,065 % a 3 %, con una cadencia o pendiente decreciente en la envolvente de los componentes espectrales más o menos constante desde el H2 hasta el H7, observando las gráficas. Lo que se va a lograr con el ajuste de los potenciómetros es, de alguna manera, desplazar en el eje vertical esa pendiente, pero prácticamente sin modificar su ángulo de cadencia.

Más o menos, en todas las curvas y delimitadas horizontalmente entre el H2 y el H7, existe una pendiente decreciente de cerca de 7 dB entre componentes. Es decir, si el H2 está a - 35 dB de la fundamental, el H3 estará cerca de - 42 dB, o a cerca de 7 dB del H2. Todos los otros componentes, más o menos tendrán similar diferencia en la cadencia.

Ahora bien, para convertir al circuito pre-distorsionador mucho más flexible para ajustar, lo que se puede hacer es variar ligeramente su alimentación en torno a los valores iniciales, de modo que permita, además, alterar la pendiente de esa cadencia en los componentes espectrales, de modo de poder adaptarlo a un gran número de casos posibles de encontrar en la práctica y experimentación.

Normalmente, un transductor operando en su zona más lineal (por así llamarla), distorsionará mayormente con componentes H2 y H3. Solo si se lo saca de su punto más lineal, podrían aparecer otros componentes espectrales superiores al H3, cuando distorsione. Es por eso, que resultaría más conveniente que el pre-distorsionador no generara en demasía los componentes superiores al H3, de ser eso posible. Un fet podría ser una mejor implementación aquí, aunque algunos modelos resultan un tanto difíciles de conseguir. Es por eso lo de mi implementación con bjts.

A continuación, les muestro cómo es que se alteran las pendientes de la cadencia espectral de la distorsión, con solo aumentar 1,5 V por sobre la de diseño inicial (es decir, de 12 V a 13,5 V). Si bien el rango de ajuste de THD ahora se reduce a algo como entre 0,022 % y 1,21 %, la pendiente decreciente pasa a ser de cerca de 10 dB. Con esos valores entre los Hs, el enmascaramiento comienza a ayudarnos.

Manipulando voltaje de alimentación.png


Si observan las gráficas, van a ver que el voltaje de alimentación cambia la pendiente (observar entre H2 y H5). Las curvas rojas son para 13,5 V de alimentación y las verdes para 12 V. Los potes estarían en 0 %, 10 %, 20 %, 30 %, 40 %, 50 % y 100 %, respectivamente, en ambos grupos de curvas (viendo desde abajo hacia arriba).

En el circuito de Nelson Pass, la pendiente es más o menos fija, a diferencia del de este thread.

Es cuestión de jugar con dos tipos de ajustes, la THD y la alimentación.
 
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Subo alguna data del circuito de Nelson Pass, para contrastarlo con el de este mismo thread. Se podrán ver diferencias circuitales, aunque algún objetivo en común podrían tener en cierto punto.

No coincido plenamente con Pass en que él lo plantea como de uso genérico en cualquier sistema, mientras que yo creo que debería ajustarse acorde a la característica de los transductores que se empleen (que, de hecho, no deberían ser cualquier transductor, como tampoco empleando crossovers, ya que pueden modificar la fase hacia ambos lados de la frecuencia de corte). También, debería ser evaluado en determinados sistemas, ya que no en todo sistema sería posible mantener el perfil desde entrada a salida que él sostiene debería llegar al transductor.

Pass_H2_005-1024x728.jpg

Pass_H2_006.jpg

Pass_H2_007.jpg.png

Pass_H2_008.jpg.png

Pass_H2_009.jpg.png
 
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