Preamplificador para Micrófono Electret – Parte 2

Introducción

En esta sección mostramos el diseño de un pre-amplificador de audio con filtro pasa-banda, usando un micrófono electret y amplificadores operacionales. El objetivo es poder disponer de un amplificador de audio, alimentado con batería de 9V, calibrado para una respuesta óptima en la banda de audio que corresponde a la voz humana.

Descripción

Proponemos un esquema de pre-amplificador que estará basado en dos amplificadores operacionales encapsulados en un solo CI, el TL082, que es de bajo ruido. El diagrama de bloques muestra que contiendrá 3 filtros (dos pasa altos y un pasa bajos) de primer orden para conformar un filtro pasabanda con corte inferior de segundo orden.

El diseño original se pensó para funcionar a 9V, pero debido a las características eléctricas del único componente activo (El TL082), es posible que trabaje a valores más altos.
La curva de consumo muestra una dependencia casi lineal a partir de los 8 voltios. El operacional admite voltajes de hasta +- 18V, pero al trabajar con voltajes altos está se plantea el problema de disipación de potencia y consumo. La siguiente curva es un ensayo del consumo del TL082, polarizado en nuestro diseño de pre-amplificador:

Es conveniente por lo tanto trabajar  con valores cercanos a los 9V que además nos permitirá trabajar con una sencilla batería de 9V.

Otro problema adicional de usar voltajes altos se presenta en el ruido generado, probablemente por la red de polarización del micrófono.

En las pruebas realizadas con alimentación variable se detectó que el nivel de ruido (inicialmente imperceptible) aumentaba monstruosamente cuando el voltaje superaba los 20 voltios aproximadamente, como se muestra en la siguiente curva aproximada (La gráfica trazada no corresponde a medidas experimentales sino a un trazo estimado a mano alzada en base a lo que se escuchó cuando se hicieron los ensayos):

El ruido escuchado era de característica azul, aunque es probable que sea blanco, pero que se haya coloreado al pasar por el filtro de entrada.

De cualquier forma es un factor limitante para el voltaje de alimentación, que puede ser fijado con un valor máximo de 18V. A partir de ese valor la SNR es demasiado baja.

La polarización del micrófono se logra con R1, en la clásica configuración que hemos visto en el artículo anterior. Aquí también C1  toma las funciones de desacoplo de continua y como elemento capacitivo del filtro pasa altos.

La ganancia está fijada por R5, R4 y el equivalente de Thevenin  de la red de polarización. El terminal + del operacional se fija a un voltaje intermedio para evitar la necesidad de disponer de una fuente simétrica. La frecuencia de corte del pasa altos es de casi 500 Hz, para este filtro.

Posteriormente sigue un filtro pasa bajos pasivo, fijado a 15KHz. Que puede ser fácilmente cambiado para otra frecuencia. En paralelo al condensador, que vendría a ser la salida, está la carga resistiva que es a la vez el potenciómetro que proporciona el control de ganancia. Es indispensable que esta carga ofrezca impedancia mucho mayor que la de salida del pasabajos para evitar que la función de transferencia cambie su respuesta en frecuencia con la posición del potenciómetro.

Posteriormente se encuentra todavía otra etapa más, es el segundo filtro pasa altos, del circuito. Por estar conectado a una etapa de impedancia media de salida  – el potenciómetro ( En realidad se trata de una etapa con impedancia variable de salida. Puesto que a cada posición del potenciómetro le corresponde una impedancia de salida distinta. Para evitar problemas con el diseño se supone esta etapa con la mayor impedancia que pueda lograr y, basándose en este valor, se pueden hacer los cálculos posteriores.), se requiere que la impedancia de este nuevo filtro sea todavía más alta, así que la configuración usada ofrece una impedancia fácil de configurar. No se le ha dado más que la impedancia necesaria para superar en más de un factor de 10, a la impedancia de la salida del pasa bajos. No se le ha dado una impedancia excesiva para disminuir la posibilidad de ruido estático o de voltaje producido por etapas con alta resistencia.

Lo que sigue es un seguidor de voltaje puesto que no se requiere elevar más la ganancia. El nivel de salida está en algo más de 1V p-p para una conversación normal a unos 5m de distancia de un micrófono común. El divisor de voltaje R8 y R9 es necesario para fijar a un potencial medio a la entrada no inversora y obtener un rango dinámico mayor. La impedancia de salida es relativamente baja como para permitir manejar audífonos (de 16 o 32 ohmios), así se puede usar directamente con los audífonos conectados a la salida, aunque el consumo puede aumentar con las variaciones del nivel sonoro.

La impedancia de salida se supone lo suficiente baja como para no tener problemas con el condensador de salida, por lo tanto el acoplamiento de salida no introduce grandes cambios en la respuesta total del sistema.

En la respuesta  global del conjunto, evaluada por mi persona, se puede notar un sobre énfasis en la parte alta del espectro, con componentes fuertes en las cercanías de los 10 KHz, pronunciadas tal vez por el aporte del micrófono con su curva centrada en estas bandas.

El circuito completo, es el que se muestra:

Una variación útil a este diseño, podría ser bajar la frecuencia de corte superior, ya que, actualmente, se encuentra acentuada en aprox. 12KHz, lo que hace que los ruidos de alta frecuencia de audio sean también recibidos.

Se puede decir que en ambientes en los que el ruido de alta frecuencia es escaso (salones cerrados, lejos de la ciudad, ambientes con material absorbente, etc.), este prototipo resultará excelente pero desgraciadamente, muchos aparatos eléctricos y electrónicos producen ruidos o armónicos de alta frecuencia en audio.

Aunque el ruido en baja frecuencia es mayor en general, la sobreacentuación de las etapas de filtrado del prototipo 1 elevan el ruido agudo a niveles considerables, al que se suma también el ruido térmico coloreado al violeta.

Por ello planteamos un nuevo prototipo que sacrifica la parte alta de audio y resulta bueno cuando no se tiene más remedio que filtrar los agudos para evitar recibir acentuado estos ruidos. El filtrado del ruido agudo puede hacerse también posteriormente, si se tiene un ecualizador, o al momento de reproducir si es que se ha grabado el sonido.

La única variación, como era de esperarse, está en el único filtro pasa bajos responsable del corte superior. La frecuencia de corte original situada en 15 KHz , se ha desplazado tremendamente hasta casi 2Khz, que produce un notable efecto de cambio de tono, con respecto al diseño original. No significa sin embargo que las frecuencias como de 10KHz, no se vayan ha escuchar, sino sólo que se encuentran bastante atenuadas. La caída de primer orden no proporciona una pendiente muy abrupta como para hablar de eliminación de frecuencias.

El desplazamiento se logra cambiando el valor inicial de C2 a 1uF. Aunque pudiera parecer que la frecuencia superior de corte debe caer en un factor de 10, no es del todo cierto pues deben empezar a considerarse la impedancia de salida del operacional que proporciona una componente resistiva en la red RC del filtro.