Componentes Activos en Circuitos de Audio: Semiconductores, Transistores y Op-Amps

Componentes Activos en Circuitos de Audio: Filtrado y Amplificación

Semiconductores y la Unión PN

La unión PN es la base para cualquier dispositivo semiconductor. Los materiales semiconductores son aquellos que, en función de ciertas condiciones, se pueden comportar como aislantes o como conductores. Los más habituales son el silicio (Si) y el germanio (Ge).

Semiconductores Intrínsecos

Cuando a un cristal de Si se le excita con energía térmica, es muy probable que empiece a haber algún electrón libre. Si este cristal se expone a una corriente eléctrica, cada hueco atraerá un electrón de la misma, y es entonces cuando el cristal de silicio se convierte en un semiconductor intrínseco.

Semiconductores Extrínsecos

Para incrementar la conductividad en el semiconductor, el cristal de Si debe ser dopado mediante la inserción de impurezas de algún material. Si le insertamos un material pentavalente, estas impurezas donarán un electrón adicional por cada átomo pentavalente, y a este semiconductor se le llama semiconductor tipo N. Un semiconductor tipo N es, por tanto, un semiconductor de Ge o de Si dopado con impurezas de P o As, que donan un electrón por cada átomo porque son átomos pentavalentes. Al polarizarlo, los electrones libres son atraídos por la terminal positiva y los huecos son atraídos por la terminal negativa. Donde se unen los materiales mencionados se conforma la línea de unión. Los electrones libres del material tipo N se mueven por todas partes e incluso algunos atraviesan la línea de unión.

El Diodo: La Unión PN en Acción

El diodo es un elemento de circuito no lineal. Un circuito es lineal cuando el voltaje y la intensidad son directamente proporcionales.

Polarización Directa de la Unión PN

Para polarizar un diodo en directa, el material tipo N se conecta al polo negativo y el material tipo P se conecta al polo positivo.

Polarización Inversa de la Unión PN (Efecto Zener)

Polarizar en inversa es cuando la placa positiva se encuentra conectada a la región N, donde los portadores de cargas mayoritarios son donadores, y la placa negativa se encuentra conectada a la región P. Los electrones del semiconductor no se sienten atraídos por el polo positivo y entran en el cable conductor, formando una pequeña corriente para pasar al semiconductor tipo P, combinándose con los huecos de este material e intentando pasar nuevamente a la placa positiva.

Tipos Especiales de Diodos

LED (Diodo Emisor de Luz)

Es un diodo semiconductor que emite luz.

Diodo Láser

Es una fuente de luz que utiliza una unión semiconductora p-n colocada en una cavidad reflectora. Los fundamentos físicos del láser se basan en fenómenos cuánticos como son la absorción, emisión espontánea y emisión estimulada. Para ello se precisa de una fuente externa de energía que es la que nos creará la emisión láser. Lo que diferencia a un láser de otras fuentes de luz es el mecanismo físico por el que se produce la emisión de luz, que se basa en la emisión estimulada, en contra de la emisión espontánea, que es la responsable de la mayor parte de la luz que vemos. El hecho de que la emisión estimulada produzca dos fotones idénticos a partir de un fotón inicial es precisamente lo que permite amplificar la luz y es también responsable de que la luz generada por emisión estimulada sea coherente.

Comparativa: Diodo Láser vs. Diodo LED

El Transistor: El Corazón de la Amplificación

Inventado en 1951, es el componente estrella, pues inició una revolución en la electrónica. Es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Cumple las funciones de amplificador, oscilador, conmutador y rectificador. Tiene la estructura de dos diodos en oposición: NP/PN y PN/NP.

Transistor Bipolar (BJT)

Consta de tres cristales semiconductores unidos entre sí. Según cómo se coloquen los cristales, hay dos tipos básicos de transistores bipolares:

• Transistor NPN: En este caso, un cristal P está situado entre dos cristales N.
• Transistor PNP: En este caso, un cristal N está situado entre dos cristales P.

En función de la corriente que esté circulando por la base del transistor, se comportará de alguna de las siguientes formas:

• Corte
• Saturación
• Activa

Transistor de Efecto de Campo (FET)

Es bastante similar al BJT, con la diferencia de que este se regula mediante tensión en lugar de corriente, debido a que tiene una impedancia de entrada alta. Algunas de las grandes virtudes de los transistores de efecto campo son su menor consumo y su rapidez a la hora de cambiar de estado.

El MOSFET

Controla el paso de corriente eléctrica entre un terminal fuente y otro llamado drenador, mediante la aplicación de corriente en un tercer terminal llamado puerta. Modificando la tensión eléctrica aplicada a la puerta, aparece y desaparece un canal conductor que conecta o desconecta la fuente y el drenador, permitiendo el cierre y la apertura del interruptor.

Polarización de un Transistor

Se entiende por polarización de un transistor las conexiones adecuadas que hay que realizar con corriente continua para que pueda funcionar correctamente. En el caso del audio, el transistor es utilizado comúnmente en aplicaciones de amplificación de potencia.

Amplificador Operacional (Op-Amp)

El nombre de amplificador operacional proviene precisamente de ser usado inicialmente para realizar operaciones analógicas. Junto con el transistor, el AO es el elemento más utilizado en los circuitos de audio analógico. Cuando el AO se realimenta, el circuito trabaja en bucle cerrado. Cuando no existe realimentación, opera en condiciones de lazo abierto.

Alimentación del Amplificador Operacional

Es necesario aplicar, al menos, una fuente de alimentación continua, pudiendo ser las dos fuentes de tensión iguales pero de signo contrario respecto a masa. La selección de los valores de tensión de alimentación y el tipo de alimentación depende de la aplicación en la que deba trabajar.

Etapas de un Op-Amp

Los diseños varían entre cada fabricante y cada producto, pero todos los AO tienen básicamente la misma estructura interna:

• Amplificador diferencial: Baja amplificación de ruido y gran impedancia de entrada.
• Amplificador de tensión: Proporciona una ganancia de tensión.
• Amplificador de salida: Proporciona la capacidad de suministrar la corriente necesaria.

Amplificador Operacional Ideal vs. Real

• Ideal: Infinita ganancia en lazo abierto, infinita resistencia de entrada, corriente de entrada cero.
• Real: Ganancia finita en lazo abierto, resistencia de salida no cero, presencia de ruido térmico, corriente de salida limitada.

Configuraciones Básicas

• Amplificador inversor: Señal de salida invertida.
• Amplificador no inversor: Realimentación negativa.
• Seguidor de tensión.
• Convertidor Digital-Analógico (DAC) (R-2R): Los códigos no contienen información sobre el valor de la señal entre dos muestras. La señal reconstruida está retrasada en el tiempo respecto a la señal original.

Fundamentos de la Señal Digital de Audio

El audio digital es una tecnología altamente sofisticada, que utiliza la vanguardia de muchas áreas de ingeniería y producción, a pesar de que los conceptos fundamentales empezaron a establecerse en la segunda década del siglo pasado. Los datos binarios se pueden codificar en formas de medios de comunicación como: 1 o 0 lógicos, on/off, voltaje o no voltaje.

El proceso de conversión de una señal analógica a digital (A-D) sigue estos pasos: Señal analógica entrante → Filtro antialiasing → Conversión A-D [Muestreo, cuantización y codificación].

Muestreo (Sampling)

Proceso por el que se obtiene una serie de muestras o datos de una señal analógica en unos instantes de tiempo determinados. Una señal analógica es continua por naturaleza. La señal analógica se digitaliza con una frecuencia de muestreo (f), con un número de niveles de cuantificación y una codificación de bits por muestra. Existen varios sistemas de muestreo, como el muestreo natural y el sample and hold (S/H).

Teorema de Nyquist

Este teorema nos dice que una señal continua puede ser reemplazada por una secuencia discreta de muestras sin pérdida de información. Para ello, la frecuencia de muestreo debe ser mayor que el doble de la frecuencia más alta que se va a grabar.

Filtro Antialiasing (Paso Bajo)

Es un dispositivo que corta todas las frecuencias que estén por encima de cierto punto, evitando los ruidos analógicos. Sirve para eliminar los efectos de solapamiento (aliasing). Un filtro de paso bajo se coloca antes de la etapa de conversión A-D.

Sobremuestreo (Oversampling)

El sobremuestreo es un proceso que se utiliza normalmente en los sistemas de audio digital profesionales y de consumo para mejorar las características de anti-solapamiento de un filtro Nyquist.

Cuantificación (Quantization)

La cuantificación consiste en dividir el rango de amplitudes en un número limitado de intervalos, de forma que las muestras que estén dentro de un mismo intervalo tomen el mismo valor. A mayor número de niveles de cuantificación, más fiel será la representación de la señal analógica. La cantidad de valores posibles está determinada por la longitud de los datos binarios (profundidad de bits). La sustitución de la amplitud real de las muestras de ondas por una amplitud aproximada se denomina error de cuantificación.

Cuantificación Uniforme

Asigna valores a los intervalos de la señal analógica. Si todos estos intervalos son de tamaño uniforme, se denomina cuantificación uniforme. El error de cuantificación es la diferencia entre el valor real de la señal y el valor que se le asigna una vez que se ha codificado. Un número alto de intervalos reduce el error de cuantificación.

Codificación (Encoding)

Es la última etapa en la Modulación por Impulsos Codificados (PCM). Mediante la codificación, se representan las muestras cuantificadas mediante una secuencia binaria de unos y ceros. La codificación consiste en agrupar y organizar los datos de audio digital, junto con sus códigos de corrección de errores, en estructuras superiores que puedan ser identificadas por el sistema.

• El primer bit P, indica la polaridad de la muestra.
• El grupo A identifica 8 segmentos para cada polaridad.
• El grupo B identifica los 16 intervalos posibles de cada segmento.

DITHER o DITHERING

Consiste en la aplicación intencionada de ruido (blanco o rosa) con un error de cuantificación aleatorio con el fin de eliminar el error de cuantificación en la digitalización de audio y, por consiguiente, mejorar la calidad de la señal. La relación señal/ruido se puede expresar como: S/N = 20log(N) + 1.76.