ES2319956A1 - Preamplificador de estado solido de señales de audio generadas por instrumentos musicales. - Google Patents

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Abstract

Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales, en especial para guitarras eléctricas, que simula la distorsión armónica de los amplificadores de audio de válvulas, comprendiendo:
- un módulo adaptador (2) para obtener una primera señal (40) con ganancia mayor que la unidad y desfasada 180º respecto a la señal de audio (4) y una segunda señal (41) con ganancia positiva menor que la unidad respecto a la señal de audio (4);
- un módulo modificador de señal (8) para recortar las partes negativas de la primera (40) y segunda (41) señales, obteniendo una primera (31) y segunda (32) señales recortadas; y sumar la primera (31) y segunda (32) señales recortadas, obteniendo una señal suma (33);
- un módulo en emisor común (20) para recortar de forma abrupta la parte positiva de la señal suma (33);
- un módulo en seguidor de emisor (24) para reducir la impedancia de salida del preamplificador (1).

Description

Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales.
Sector técnico
La invención se encuadra en el sector de la electrónica de audio, en concreto en equipos de amplificación de instrumentos musicales y, en especial, de guitarras eléctricas.
Antecedentes de la invención
Las características proporcionadas en la electrónica de audio por las válvulas de vacío, dispositivos electrónicos previos al desarrollo de los transistores, han sido y siguen siendo muy valoradas por los músicos de todo el mundo, convirtiendo a los equipos de amplificación diseñados mediante válvulas en ejemplares codiciados e inigualados con otras tecnologías. Paradójicamente, aunque los transistores sustituyeron a las válvulas en la mayoría de las aplicaciones, no permitieron reproducir las propiedades acústicas de los diseños de válvulas. Por ello, los amplificadores de instrumentos musicales han perdurado como uno de los nichos en donde las válvulas siguen encontrando un uso habitual.
Un amplificador de válvulas proporciona un sonido peculiar y agradable parada gran mayoría de los músicos. Algunas causas para ello son:
\bullet
Las válvulas introducen distorsión por recorte asimétrico de la señal de audio, lo que se traduce en una presencia importante del segundo armónico, que forma un intervalo de una octava con el primero (el tono fundamental). El resultado es un sonido comúnmente descrito como "grueso" o "con cuerpo" (agrada- ble).
\bullet
El recorte es suave o redondeado, a diferencia del recorte obtenido mediante amplificadores de transistores, que es mucho más abrupto. Esto hace que no aparezcan armónicos de órdenes superiores intensos que producirían un sonido áspero y poco agradable.
\bullet
Los amplificadores de válvulas suelen estar alimentados con fuentes de alimentación caracterizadas por experimentar caídas de tensión significativas cuando se les exige potencias de salida grandes. Ello hace que a potencias elevadas la señal de salida de los amplificadores de válvulas se vea comprimida, proporcionando una mayor sensación de duración o "sustain" al compensar la caída natural de la señal entregada por la guitarra.
Se han realizado numerosos intentos para construir amplificadores de audio de transistores que simulen el comportamiento acústico de los amplificadores de válvulas. La utilización de válvulas tiene muchos inconvenientes, entre ellos:
\bullet
Respecto al uso, las mejores características tímbricas de los amplificadores de válvulas se consiguen con potencias acústicas elevadas, al ser en esta situación donde los circuitos de válvulas se encuentran próximos a sus límites de funcionamiento y la distorsión armónica se hace más evidente. Por ello, no es posible reproducir el "sonido de válvulas" a volúmenes moderados, lo cual impone un condicionante importante al uso de los amplificadores.
\bullet
Mayor. coste y dificultad de reparación al tratarse de una tecnología obsolescente.
\bullet
Las válvulas ofrecen menor estabilidad, mayor tolerancia de fabricación y menor vida útil.
\bullet
Exige el uso de tensiones de alimentación DC muy elevadas, lo que complica el diseño de las fuentes de alimentación, implica un aumento de consumo y añade riesgos al uso y mantenimiento de los equipos.
\bullet
Requiere el uso de transformadores muy voluminosos y específicos, añadiendo coste y peso a los equipos.
Por ello muchos ingenieros y fabricantes de amplificadores de instrumentos musicales se han dedicado al desarrollo de nuevos sistemas y modelos para equiparar prestaciones. La complejidad de este desarrollo provoca que hasta el momento no se hayan aportado soluciones completas. Con todo, existen intentos, entre ellos:
\bullet
Amplificadores de transistores que incluyen circuitos específicos que simulan las características de las válvulas. Esta estrategia es la más habitual, existiendo modelos comerciales basados en ella.
\bullet
Amplificadores híbridos, constituidos por un preamplificador de válvulas para aportar distorsión armónica más etapas de amplificación y de potencia a transistores, más fiables y económicas. Por ejemplo, los amplificadores de la serie Valvestate de la empresa británica Marshall están construidos con esta filosofía.
\bullet
Amplificadores digitales, en los que la señal del instrumento se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital y se manipula posteriormente mediante un procesador (DSP). Estos sistemas digitales modelan de forma numérica la respuesta de amplificadores de válvulas reales. Un buen ejemplo son los amplificadores de la empresa Line 6.
La presente invención se refiere a un preamplificador de transistores que permite simular el comportamiento de un amplificador de válvulas con un diseño sencillo, que ofrece un buen control del tipo y nivel de distorsión armónica. La principal innovación radica en que el diseño está encaminado a acentuar especialmente la presencia del segundo armónico, lo que confiere un rasgo distintivo al sonido obtenido. Además, es un diseño muy versátil ya que permite pasar continuamente de una distorsión suave, apenas audible, a un cambio drástico del timbre de la señal de entrada, facilitando al músico la elección de sus sonidos preferidos.
Es importante destacar que para que el preamplificador aquí descrito actúe sobre la señal de la guitarra no es necesario utilizar potencias acústicas elevadas, a diferencia de lo que ocurre con un amplificador de válvulas convencional, que sólo proporciona su sonido característico al trabajar cerca de su límite de funcionamiento. La potencia acústica final vendría determinada por una etapa de potencia independiente de la invención aquí descrita. Esto permitiría reproducir las cualidades acústicas del preamplificador con independencia de la potencia acústica entregada por la etapa de potencia posterior.
Un diseño como el planteado, que propone una solución a la emulación del sonido de amplificadores de válvulas mediante transistores, permite rebajar de forma drástica el coste de producción con la consiguiente ventaja comercial, al ser los transistores dispositivos drásticamente más baratos, fiables y duraderos que las válvulas de vacío.
La aplicación de la invención está enmarcada en el contexto de los equipos de audio de amplificación para instrumentos musicales, y permite a los músicos/usuarios de este preamplificador obtener sonidos característicos de los amplificadores de válvulas de vacío.
Descripción de la invención
La invención se refiere a un preamplificador de la señal de audio generada por un instrumento musical, por ejemplo una guitarra eléctrica, que simula la distorsión armónica introducida por los amplificadores de válvulas de vacío mediante generación del segundo armónico (en concreto, favorece la aparición de un segundo armónico intenso), de acuerdo con la reivindicación 1. También se refiere la invención a un procedimiento de amplificación de señales de audio generadas por instrumentos musicales para preamplificadores de estado sólido, de acuerdo con la reivindicación 7. Realizaciones preferidas se definen en las reivindicaciones dependientes.
Los diseños basados en válvulas de vacío se caracterizan por proporcionar un tipo de distorsión armónica que resulta especialmente agradable para los músicos. La forma de onda proporcionada por un amplificador de válvulas presenta un recorte suave y asimétrico de la señal original. Esto se corresponde con un realce del segundo armónico que, desde el punto de vista acústico, introduce una coloración tímbrica agradable.
El preamplificador de estado sólido comprende:
- un módulo adaptador encargado de proporcionar una impedancia de entrada adecuada al instrumento musical, disponiendo de una entrada para la señal de audio proveniente del instrumento musical, de una primera salida y de una segunda salida, estando dicho módulo adaptador adicionalmente configurado para:
\bullet
obtener en la primera salida una primera señal con ganancia mayor que la unidad y desfasada 180º respecto a la señal de audio;
\bullet
obtener en la segunda salida una segunda señal con ganancia positiva menor que la unidad respecto a la señal de audio;
- un módulo modificador de señal, configurado para:
\bullet
recortar las partes negativas de la primera y segunda señales, obteniendo una primera y segunda señales recortadas;
\bullet
sumar la primera y segunda señales recortadas, obteniendo una señal suma;
- un módulo en emisor común conectado a la salida del módulo modificador de señal y configurado para recortar de forma abrupta la parte positiva de la señal suma;
- un módulo en seguidor de emisor conectado a la salida del módulo en emisor común y configurado para reducir la impedancia de salida del preamplificador, disponiendo dicho módulo en seguidor de emisor de una salida que constituye la salida del preamplificador.
\newpage
El módulo modificador de señal comprende preferentemente:
- un primer diodo conectado con la primera salida del módulo adaptador y configurado para recortar las partes negativas de la primera señal;
- un segundo diodo conectado con la segunda salida del módulo adaptador y configurado para recortar las partes negativas de la segunda señal;
- dos condensadores de desacoplo conectados cada uno respectivamente al cátodo del primer y segundo diodo; disponiendo dicho módulo modificador de señal de una salida conectada con ambos condensadores de desacoplo.
En una realización preferida el módulo adaptador comprende un transistor MOSFET conectado con la entrada de dicho módulo adaptador, disponiendo dicho módulo adaptador de la primera salida en el drenador y la segunda salida en la fuente del transistor MOSFET.
El módulo modificador de señal puede comprender adicionalmente un primer divisor de tensión conectado al cátodo del primer diodo y un segundo divisor de tensión conectado al cátodo del segundo diodo, estando ambos divisores de tensión configurados para ajustar cada uno la tensión en el cátodo del diodo respectivo por medio de un potenciómetro en cada divisor de tensión.
El módulo en emisor común comprende preferiblemente un transistor bipolar con una resistencia de realimentación en emisor y un potenciómetro conectado entre el colector del transistor bipolar y la tensión de alimentación positiva del preamplificador, dicho potenciómetro configurado para regular el recorte abrupto de la parte positiva de la señal suma.
El módulo en seguidor de emisor comprende preferentemente un transistor bipolar.
Es objeto también de la presente invención un procedimiento de amplificación de señales de audio generadas por instrumentos musicales para preamplificadores de estado sólido, que comprende las siguientes etapas:
- obtener, a partir de la señal de audio, una primera señal con ganancia mayor que la unidad y desfasada 180º respecto a la señal de audio y una segunda señal con ganancia positiva menor que la unidad respecto a la señal de audio;
- recortar las partes negativas de la primera y segunda señales, obteniendo una primera y segunda señales recortadas;
- sumar la primera y segunda señales recortadas, obteniendo una señal suma;
- recortar abruptamente la parte positiva de la señal suma;
- disminuir la impedancia de salida del preampificador para proporcionar la máxima tensión de salida posible dada su configuración.
El procedimiento comprende preferentemente también regular el recorte de las partes negativas de la primera y segunda señales y regular el recorte abrupto de la parte positiva de la señal suma.
Breve descripción de los dibujos
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.
La Figura 1 muestra un diagrama de bloques que representa esquemáticamente los distintos bloques que constituyen la invención.
La Figura 2 muestra un esquema completo de la invención con todos los componentes del preamplificador y su disposición.
Descripción de una realización preferida
El preamplificador de la señal de audio generada por un instrumento musical, por ejemplo una guitarra eléctrica, que la presente invención propone permite simular el comportamiento acústico y la respuesta de un amplificador de válvulas posibilitando controlar el nivel y las características de la distorsión armónica con gran flexibilidad.
La Figura 1 representa esquemáticamente los distintos bloques que constituyen la invención, destacando los elementos más importantes y la forma que adoptada señal en varios puntos representativos del preamplificador. En la Figura 2 se muestran los distintos componentes electrónicos y su disposición.
El preamplificador 1, tal como muestra dicha figura, presenta la siguiente configuración:
- Módulo adaptador 2: Con una entrada 3 para la señal de audio 4 del instrumento, y dos salidas, una en el drenador 5 y otra en la fuente 6 de un transistor MOSFET 7.
- Módulo modificador de señal 8: Con dos entradas (5, 6) provenientes del módulo adaptador 2 y una salida 9. Cada entrada (5, 6) consta respectivamente de un diodo (10, 11) conectado por el ánodo (12, 13) a la entrada (5, 6) correspondiente y conectado por el cátodo (14, 15) a un divisor de tensión (16, 17) y a un condensador de desacoplo (18, 19). La salida 9 de este módulo modificador de señal 8 se encuentra en el punto de conexión común de los dos condensadores de desacoplo (18, 19).
- Módulo en emisor común 20: Consta de una entrada 9 proveniente del módulo modificador de señal 8 y de una salida 21. El módulo en emisor común 20 está basada en un transistor bipolar 22 con una resistencia de realimentación en el emisor 23.
- Módulo en seguidor de emisor 24: Con una entrada 21 proveniente del módulo en emisor común 20 y una salida 25 que es la salida final del preamplificador 1. El módulo está basado en un transistor bipolar 26.
El módulo adaptador 2 tiene la función de proporcionar una impedancia de entrada adecuada. En la salida de drenador 5 se obtiene una primera señal 40 con ganancia mayor que la unidad y desfasada 180º respecto a la señal de audio 4, mientras que en la salida en fuente 6 se obtiene una segunda señal 41 con ganancia positiva menor que la unidad.
Refiriéndonos al módulo modificador de señal 8, el diodo 10 conectado al módulo adaptador 2 en la salida de drenador 5 recorta abruptamente las partes positivas 27 de la señal de audio 4 al módulo adaptador 2. El nivel de recorte está controlado por la tensión DC fijada en el cátodo 14 del diodo 10 por el divisor de tensión 16, ajustable mediante el potenciómetro 28. Por otro lado, el diodo 11 conectado al módulo adaptador 2 en la salida de fuente 6 recorta las partes negativas 29 de la señal de audio 4 al módulo adaptador 2. El nivel de recorte está controlado por la tensión DC fijada en el cátodo 15 del diodo 11 por el divisor de tensión 17, ajustable mediante el potenciómetro 30. Finalmente, las señales (31, 32) presentes respectivamente en los cátodos (14, 15) de ambos diodos (10, 11) se suman mediante dos condensadores de desacoplo (18, 19), proporcionando la señal suma 33 en la salida 9 del módulo modificador de señal 8.
El módulo en emisor común 20 permite el recorte abrupto característico de transistores, según se muestra en la señal 34. La tensión a la que tiene lugar el recorte se regula mediante un potenciómetro 35 conectado entre el colector del transistor 36 y la tensión de alimentación positiva 37.
Finalmente, el módulo en seguidor de emisor 24 permite rebajar la impedancia de salida del preamplificador 1.
Según lo visto, la señal de audio 4 es recortada mediante diodos (10, 11), lo que en principio favorece la aparición de armónicos de orden elevado que no son idóneos desde un punto de vista musical. Sin embargo, al sumarse las señales recortadas en contrafase, se introduce un cantidad muy importante del 2º armónico que aporta calidad subjetiva al sonido producido.

Claims (9)

1. Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales, caracterizado porque comprende:
- un módulo adaptador (2) encargado de proporcionar una impedancia de entrada adecuada al instrumento musical, disponiendo de una entrada (3) para la señal de audio (4) proveniente del instrumento musical, de una primera salida (5) y de una segunda salida (6), estando dicho módulo adaptador (2) adicionalmente configurado para:
\bullet
obtener en la primera salida (5) una primera señal (40) con ganancia mayor que la unidad y desfasada 180º respecto a la señal de audio (4);
\bullet
obtener en la segunda salida (6) una segunda señal (41) con ganancia positiva menor que la unidad respecto a la señal de audio (4);
- un módulo modificador de señal (8), configurado para:
\bullet
recortar las partes negativas de la primera (40) y segunda (41) señales, obteniendo una primera (31) y segunda (32) señales recortadas;
\bullet
sumar la primera (31) y segunda (32) señales recortadas, obteniendo una señal suma (33);
- un módulo en emisor común (20) conectado a la salida (9) del módulo modificador de señal (8) y configurado para recortar de forma abrupta la parte positiva de la señal suma (33);
- un módulo en seguidor de emisor (24) conectado a la salida (21) del módulo en emisor común (20) y configurado para reducir la impedancia de salida del preamplificador (1), disponiendo dicho módulo en seguidor de emisor (24) de una salida (25) qué constituye la salida del preamplificador (1).
2. Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales según reivindicación 1, caracterizado porque el módulo modificador de señal (8) comprende:
- un primer diodo (10) conectado con la primera salida (5) del módulo adaptador (2) y configurado para recortar las partes negativas de la primera (40) señal;
- un segundo diodo (11) conectado con la segunda salida (6) del módulo adaptador (2) y configurado para recortar las partes negativas de la segunda (41) señal;
- dos condensadores de desacoplo (18, 19) conectados cada uno respectivamente al cátodo (14, 15) del primer (10) y segundo (11) diodo; disponiendo dicho módulo modificador de señal (8) de una salida (9) conectada con ambos condensadores de desacoplo (18, 19).
3. Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo adaptador (2) comprende un transistor MOSFET (7) conectado con la entrada (3) de dicho módulo adaptador (2), disponiendo dicho módulo adaptador (2) de la primera salida (5) en el drenador y la segunda salida (6) en la fuente del transistor MOSFET (7).
4. Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo modificador de señal (8) comprende adicionalmente un primer divisor de tensión (16) conectado al cátodo (14) del primer diodo (10) y un segundo divisor de tensión (17) conectado al cátodo (15) del segundo diodo (11), estando ambos divisores de tensión (16, 17) configurados para ajustar cada uno la tensión en el cátodo del diodo respectivo por medio de un potenciómetro (28, 30) en cada divisor de tensión.
5. Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo en emisor común (20) comprende un transistor bipolar (22) con una resistencia de realimentación (23) en emisor y un potenciómetro (35) conectado entre el colector (36) del transistor bipolar (22) y la tensión de alimentación positiva (37) del preamplificador (1), dicho potenciómetro (35) configurado para regular el recorte abrupto de la parte positiva de la señal suma (33).
6. Preamplificador de estado sólido de señales de audio generadas por instrumentos musicales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el módulo en seguidor de emisor (24) comprende un transistor bipolar (26).
\newpage
7. Procedimiento de amplificación de señales de audio generadas por instrumentos musicales para preamplificadores de estado sólido, caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- obtener, a partir de la señal de audio (4), una primera señal (40) con ganancia mayor que la unidad y desfasada 180º respecto a la señal de audio (4) y una segunda señal (41) con ganancia positiva menor que la unidad respecto a la señal de audio (4);
- recortar las partes negativas de la primera (40) y segunda (41) señales, obteniendo una primera (31) y segunda (32) señales recortadas;
- sumar la primera (31) y segunda (32) señales recortadas, obteniendo una señal suma (33);
- recortar abruptamente la parte positiva de la señal suma (33);
- disminuir la impedancia de salida del preampificador (1) para proporcionar la máxima tensión de salida posible dada su configuración.
8. Procedimiento de amplificación de señales de audio generadas por instrumentos musicales para preamplificadores de estado sólido según la reivindicación 7, caracterizado porque comprende regular el recorte de las partes negativas de la primera (40) y segunda (41) señales.
9. Procedimiento de amplificación de señales de audio generadas por instrumentos musicales para preamplificadores de estado sólido según cualquiera de las reivindicaciones 7-8, caracterizado porque comprende regular el recorte abrupto de la parte positiva de la señal suma (33).
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