Señales y fuentes de señal
Un micrófono de 600 Ω conectado a una entrada de 600 Ω pierde la mitad de su señal antes de que el amplificador haga nada. Elegir un amplificador empieza por mirar la fuente.
01La señal y su fuente
Un amplificador nunca trabaja solo: toma la señal de una fuente —un micrófono, un sensor, una antena, la salida de otro circuito— y la entrega a una carga. Lo que hace bien o mal depende tanto de él como de esos dos extremos. Por eso el estudio de los amplificadores empieza por modelar la fuente. La descripción de las señales en el tiempo y en la frecuencia está en señales en los circuitos; acá interesa la fuente como circuito.
Toda fuente lineal se puede reemplazar por un equivalente de Thévenin —una fuente de tensión \( v_s \) en serie con una resistencia \( R_s \)— o de Norton —una fuente de corriente \( i_s = v_s / R_s \) en paralelo con la misma \( R_s \)—. Los dos modelos son equivalentes; se elige el que describe mejor lo que la fuente hace: un micrófono se parece a una fuente de tensión, un fotodiodo a una de corriente.
02Fuentes típicas
| Fuente | Señal típica | Resistencia de fuente | Se modela como |
|---|---|---|---|
| Micrófono dinámico | Unos milivolts | 150 a 600 Ω | Tensión |
| Micrófono electret, con su JFET | Decenas de milivolts | 1 a 2 kΩ | Tensión |
| Termocupla tipo K | Unos 41 µV por grado | Pocos ohms | Tensión |
| Electrodos de electrocardiograma | Alrededor de 1 mV | Kiloohms a megaohms, variable | Tensión |
| Fotodiodo | Nanoamperes a microamperes | Muy alta | Corriente |
| Antena de recepción | Microvolts | 50 o 75 Ω | Tensión, adaptada |
| Línea de audio profesional | 1,23 V eficaces (+4 dBu) | Decenas de ohms | Tensión |
La resistencia de fuente, además, pone un piso al ruido: toda resistencia genera un ruido térmico \( v_n = \sqrt{4 k T R B} \). Una fuente de 1 kΩ, en los 20 kHz del audio y a temperatura ambiente, ya trae unos 0,58 µV eficaces que ningún amplificador puede quitar.
03Decibeles
Las señales de un sistema recorren muchos órdenes de magnitud, del microvolt de la antena a los volts del parlante. Por eso se miden en decibeles, una escala logarítmica de cocientes:
Con una referencia fija, el decibel pasa a ser una unidad absoluta:
| Unidad | Referencia | Uso |
|---|---|---|
| dBm | 1 mW | Radiofrecuencia y telecomunicaciones |
| dBu | 0,775 V eficaces, la tensión que da 1 mW en 600 Ω | Audio profesional |
| dBV | 1 V eficaz | Audio de consumo (−10 dBV = 0,316 V) |
| dBµV | 1 µV | Niveles de señal en antenas y compatibilidad electromagnética |
04La fuente cargada
Al conectar la fuente a la entrada de un amplificador, de resistencia \( R_{in} \), se forma un divisor. La tensión que realmente llega es
De ahí salen tres criterios, según qué se quiera transferir:
- Tensión: \( R_{in} \gg R_s \). Es el caso de casi todo el audio y la instrumentación: una entrada diez o más veces mayor que la fuente.
- Corriente: \( R_{in} \ll R_s \). Un fotodiodo se conecta a un amplificador de transimpedancia, cuya entrada es casi un cortocircuito.
- Potencia: \( R_{in} = R_s \). Es la adaptación de la radiofrecuencia, donde todo es de 50 Ω para que no haya reflexiones y se transfiera la máxima potencia.
Además de su resistencia, toda entrada y todo cable tienen capacidad. Con la resistencia de fuente forman un filtro pasabajos, de frecuencia de corte \( f_c = 1 / (2\pi\, (R_s \parallel R_{in})\, C_{in}) \): una fuente de alta impedancia pierde los agudos en un cable largo.
Una fuente con su resistencia interna conectada a una entrada con resistencia y capacidad en paralelo (la del cable y la del amplificador). El gráfico muestra cuánta señal llega en cada frecuencia, en decibeles respecto de la tensión en vacío de la fuente.
05Los cuatro tipos de amplificador
Según qué magnitud toma de la fuente y qué magnitud entrega a la carga, un amplificador ideal pertenece a uno de cuatro tipos. Sus resistencias ideales de entrada y salida salen del mismo razonamiento de carga:
| Tipo | Entrada → salida | Ganancia | \( R_{in} \) ideal | \( R_{out} \) ideal |
|---|---|---|---|---|
| De tensión | tensión → tensión | V/V | Infinita | Cero |
| De corriente | corriente → corriente | A/A | Cero | Infinita |
| De transconductancia | tensión → corriente | A/V (siemens) | Infinita | Infinita |
| De transresistencia | corriente → tensión | V/A (ohms) | Cero | Cero |
Un transistor solo es, por naturaleza, un amplificador de transconductancia: su entrada es una tensión y su salida una corriente. Los circuitos de las unidades siguientes lo rodean de resistencias y de otros transistores para convertirlo en el tipo que haga falta.
06En el laboratorio
Medir la tensión en vacío de un generador de funciones y después con una resistencia de carga de 50 Ω. Calcular su resistencia interna con el divisor.
Con un generador en serie con 100 kΩ y 3 m de cable coaxial hasta el osciloscopio, barrer la frecuencia y encontrar el punto de −3 dB. Estimar la capacidad del cable por metro.
Medir la salida de línea de una placa de sonido y de un reproductor, y expresarla en dBV y en dBu.
07Errores frecuentes
- Olvidar la resistencia de la fuente. La tensión en vacío no es la que llega.
- Adaptar impedancias en audio. Se pierde la mitad de la tensión sin necesidad: en audio se busca \( R_{in} \gg R_s \).
- Sumar decibeles de potencia y de tensión como si fueran lo mismo. 20 log para tensiones, 10 log para potencias.
- Ignorar la capacidad del cable con fuentes de alta impedancia. Recorta los agudos.
08Autoevaluación
¿Cuántos decibeles se pierden si \( R_{in} = R_s \)?
6 dB: llega la mitad de la tensión.
¿Cuánto es +4 dBu en volts?
\( 0{,}775 \times 10^{4/20} \approx 1{,}23 \) V eficaces.
¿Qué tipo de amplificador conviene para un fotodiodo?
Uno de transresistencia: entrada de corriente, de resistencia muy baja, y salida de tensión.
Una fuente de 50 kΩ con 200 pF de cable y entrada muy alta, ¿dónde corta?
\( 1/(2\pi \times 50\,000 \times 200 \times 10^{-12}) \approx 15{,}9 \) kHz.
09Para ampliar
- Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith. Microelectronic Circuits. 7.ª ed., Oxford University Press, 2014. El primer capítulo presenta las fuentes y los cuatro tipos de amplificador con este mismo razonamiento de carga.
- Paul Horowitz y Winfield Hill. The Art of Electronics. 3.ª ed., Cambridge University Press, 2015. Impedancias de entrada y salida, decibeles y fuentes reales, desde la práctica.
- Douglas Self. Small Signal Audio Design. 3.ª ed., Focal Press, 2020. Niveles, impedancias y ruido de fuentes de audio reales, con mediciones.