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Mesa de mezcla: modulo entrada microfonica

Foto del modulo microfonico Figura 1: El esquema del modulo con entrada microfonica para la mesa de mezcla audio.

El circuito es un preamplificador microfonico que se encarga de adaptar las señales procedentes de un micrófono a las señales de tipo audio de linea. Tienes dos funciones:

  1. Convertir la señal de forma balanceada (señal caliente, señal fria y masa) a forma no balanceada (señal y masa).
  2. Amplificar la débil señal desde el micrófono (normalmente algunos milivoltios);

Para esta operación el modulo utiliza dos amplificadores operacionales, y entonces se utiliza un entero circuito integrado LM358.

1 - Características del circuito

El modulo presenta unos cuantos elementos comunes al modulo de entradas de linea:

  • Entrada microfonica: está diseñada para señales balanceadas, que incluyen linea caliente, linea fria y masa. Esa señal es típica de los micrófonos profesionales, es decir los que tienen el conector XLR, también llamado Cannon. En el caso de micrófono con señal no balanceada (solamente dos cables, señal y masa), por ejemplo con el conector jack, hace falta conectar el pin 3, el frio, a masa. En la Figura 2 se enseñan los dos conectores.
  • Salida directa: es posible sacar de estos dos pines una señal audio para conectarla directamente a un dispositivo electrónico (una grabadora, un amplificador, etc). La señal está desacoplada del micrófono, amplificada y regulada por el potenciómetro. El dispositivo que se conecta a esta salida tiene que tener una entrada con alta impedancia; no es recomendable conectar cascos (que suelen tener una baja impedancia).
  • Enchufe al modulo antecedente y enchufe al modulo siguiente: toma y clavija para compartir con todos los módulos de la mezcladora las señales comunes (tensión de alimentación, masa, señal audio y tensión de polarización Vcc/2).
Foto de los conectores XLR y jack Figura 2: A la izquierda estan dos conectores XLR (Cannon) macho y hembra, utilizados para señales balanceadas. A la derecha está un conector jack, que se usa para señales no balanceadas.

2 - Notas de realización

El circuito no tiene ninguna dificultad de realización, y la placa tiene dimensiones 4cm x 7cm, es decir las dimensiones de un modulo de la mezcladora. Como en el caso del modulo para entradas de linea hay que tener cuidado con los pines de los conectores a los otros módulos, de forma que las placas estén perfectamente juntas para que los potenciómetros en el panel de usuario tengan la misma distancia.

Esquema del modulo con preamplificador microfonico Figura 3: El esquema del modulo de la mesa de mezcla con entrada para micrófono.

3 - Las señales de micrófono

Antes de explicar el circuito es oportuno enseñar las características de las señales de micrófono, ya que el diseño del preamplificador depende de ellas. Mas en especifico, se puede analizar como funciona una linea balanceada y que niveles de tensión lleva.

3.1 - Los niveles de los señales microfonicos

Las tensiones producidas por un micrófono varían entre 1mV y 10mV, según el tipo de micrófono. Para llegar a niveles de linea, que están alrededor de 1V, hace falta amplificar la señal. Asumiendo el caso peor, es decir una señal baja, por ejemplo 2mV, hace falta una ganancia α=400 para conseguir 1,2V. En este proyecto asumimos el valor de α=400 como ganancia total del circuito. Su valor exacto no es importante: el potenciómetro permite ajustar el volumen, adaptando los niveles a los diferentes tipos de micrófonos.

Una ganancia de 400 para un amplificador con un solo operacional es demasiado alta. Es mejor dividir esta ganancia en dos etapas que ganen cada una 20.

3.2 - La linea balanceada

Esquema de linea balanceada Figura 4: El esquema indica la estructura de una linea balanceada, y como esta solucion pueda, en teoría, eliminar totalmente las interferencias.

El fin de la linea balanceada es de eliminar las interferencias electromagnéticas que puedan ser recibidas por un cable muy largo que lleva una señal Vs desde un punto A hasta un punto B. En vez que usar un solo conductor con la señal Vs, se usan dos conductores, que llevan la mitad de Vs (hilo caliente) y la mitad negativa de Vs (hilo frio):

Latex: 
	& V_{caliente}^A  = \frac{V_{s}}{2} \\
  & V_{frio}^A = - \frac{V_{s}}{2}

Ya que los conductores están al lado en el cable, cuando una interferencia electromagnética Vinterf llega al cable, esta se suma positivamente a ambos señales:

Latex: 
	& V_{caliente}^B  = \frac{V_{s}}{2} + V_{dist}\\
  & V_{frio}^B = - \frac{V_{s}}{2} + V_{dist}

Si al final del cable se restan las dos señales, el disturbio se elimina, y el resultado es Vs puro:

Latex: 
	V_{s}^B = \left( \frac{V_{s}}{2} + V_{dist}\right) - \left( - \frac{V_{s}}{2} + V_{dist} \right) = V_s

El tipo de circuito al que hay que conectar un micrófono con linea balanceada es entonces un amplificador diferencial, para que reste la señal fría de la caliente.

4 - El diseño

El circuito tiene dos etapas. La primera etapa es un amplificador diferencial, que se encarga de convertir la señal balanceada procedente desde el micrófono en señal no balanceada, amplificandola de 20. La segunda etapa desacopla el potenciómetro del volumen desde los módulos siguientes, y amplifica de 20.

4.1 - La primera etapa: el amplificador diferencial

La primera etapa del preamplificador microfonico es un amplificador diferencial, cuyas ecuaciones se conocen en literatura; poniendo R1=R2 y R3=R4 se puede escribir: Latex: V_{A} = \frac{R_{3}}{R_{1}}\left(V_{caliente} - V_{frio}\right) donde Vcaliente y Vfrio son las tensiones de los pines 2 y 3 del conector Pmic1. Como dicho antes, esta etapa tiene que ganar 20, y entonces ponemos R3=R4=20KΩ y R1=R2=1KΩ.

4.2 - Segunda etapa: el amplificador inversor

La segunda etapa del preamplificador microfonico es un simple amplificador inversor, ese tambien bien documentado en literatura, con ecuación: Latex: V_{C} = - \frac{R_{7}}{R_{5}} V_{B} donde VC es la tensión de la salida del segundo operacional, por ejemplo del conector P2, mientras VB es la tensión de salida del primer operacional. Como en el caso de la primera tapa, elegimos una ganacia de 20, y entonces ponemos R7=22KΩ y R5=1KΩ.

4.3 - El potenciómetro del volumen y la ganancia total

Cuando el cursor del potenciómetro está todo hacia el pin 3, la señal a la salida de la primera etapa va por completo a la segunda etapa, y el volumen es máximo; dicho de otra forma, es como si el potenciómetro no estuviera. Al reves, cuando el cursor del potenciómetro está en el pin 1, la entrada de la segunda etapa está conectada hacia masa, y entonces a la salida no hay ninguna señal. Por último, la ganancia de la segunda etapa cuando el cursor está en una posición intermedia ya ha sido presentada en el caso del modulo para entradas de linea, y vale en este caso:

Latex: V_{C} = - \frac{R_{7} R_x}{R_{5}R_{V1} + R_x R_{V1} - R_x^2} \cdot V_{A}

La ganancia total es entonces el producto de estas dos etapas: Latex: 
  V_{C} &= \alpha_{diff} \cdot \alpha_{inv} \cdot \left( V_{caliente} - V_{frio} \right) \\
	V_{C} &= \frac{R_{3}}{R_{1}} \cdot \frac{R_{7} R_x}{R_{5}R_{V1} + R_x R_{V1} - R_x^2} \cdot \left( V_{caliente} - V_{frio} \right)
donde αdiff es la ganancia de la primera etapa diferencial y αinv es la ganancia de la segunda etapa inversora. En laFigura 5 se enseña la dinámica del volumen.

La linealidad en la regulación del volumen Figura 5: La figura enseña la ganancia total del circuito, es decir el volumen, en función de la posición del potenciómetro.

4.4 - Los condensadores de desacoplamiento

Los condensadores C1, C2 y C5 se encargan de bloquear la tensión continua de polarización de forma que no influya en los dispositivos externos conectados. Los condensadores C3 y C4 a cambio evitan que la tensión continua acabe en el potenciómetro. Si eso pasara, el potenciómetro podría quemarse cuando tiene valores de resistencia demasiado bajos; ademas, la segunda etapa amplificaría tambien la tensión continua procedente de la primera etapa, saturando de inmediato.

4.5 - El condensador CB1

La señal Vcc/2 es en principio una tensión continua, con el fin de polarizar las etapas de la mesa de mezcla. Sin embargo en la realidad puede llevar pequeñas interferencias Vdist, debidas al rizado (ripple) de la alimentación de red eléctrica. Esto puede ser un problema en la segunda etapa del preamplificador microfonico.

El circuito no inversor sin CB1 Figura 6: La imagen explica como se puede interpretar la segunda etapa del amplificador microfonico cuando el potenciómetro del volumen está a cero, es decir cuando la entrada de la etapa está a masa.

Cuando el volumen del micrófono es nulo, es decir cuando el cursor del potenciómetro está a masa, desde el punto de vista de la interferencia en Vcc/2 la segunda etapa es un amplificador no inversor, como explicado en la Figura 6. Su ganancia vale:

Latex: V_{C} = \frac{R_{7} + R_{5}}{R_{5}} \cdot V_{dist} = 23 \cdot V_{dist}

Una ganancia de 23 es suficiente para amplificar el disturbio hasta que esté audible. En otra palabras, bajando el volumen subiria el ruido debido a una posible interferencia en Vcc/2.

Para solucionar el problema hace falta insertar CB1: para Vcc/2 es un circuito abierto, y entonces no existe. Para un disturbio Vdist es un corto circuito hacia masa, que hace que la tensión en entrada al amplificador no inversor sea nula, eliminando de esta manera el ruido a la salida del modulo microfonico cuando el volumen es bajo.

Bibliografia y otros documentos

  1. Mesa de mezcla: modulo entradas de linea
  2. Amplificador diferencial
  3. Amplificador inversor
  4. Amplificador no inversor
  5. Conector XLR (Cannon)
  6. Connettore Jack

Totale: 9ms

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