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Métodos de análisis para preamplificadores de audio. (Analysis methods for audio preamplifiers).

De
7 pages
Resumen
En este artículo, se plantean metodologías para la medición de los parámetros más importantes de un preamplificador: slew rate –tiempo de respuesta–, ancho de banda –respuesta en frecuencia–, distorsión armónica total –THD%– y relación señal ruido
para lo que se utilizan analizadores de espectro, generadores de señal, multímetro, cables, entre otros. Para corroborar estas metodologías, se efectúan mediciones en cuatro preamplificadores diferentes.
Abstract
This article pretends to present methodologies for measuring the most important parameters of a preamplifier like slew rate, bandwidth, total harmonic distortion (THD) and signal to noise ratio. For this process were used spectrum analyzers, signal generators, multimeters, cables, among others. To support these methodologies, measurements shall be made into four different preamps.
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Ing. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
ANALYSIS METHODS FOR AUDIO PREAMPLIFIERS

MÉTODOS DE ANÁLISIS PARA PREAMPLIFICADORES DE AUDIO

Andrés F. Pardo V. Sebastián Lopera G.
Universidad de San Buenaventura Medellín Universidad de San Buenaventura Medellín
flppardo@gmail.com sebasfox@gmail.com

(Tipo de Artículo: INVESTIGACIÓN. Recibido el 10/11/2010. Aprobado el 01/12/000)

Abstract – This article pretends to present realizan pruebas de manera subjetiva para
methodologies for measuring the most important determinar el desempeño del dispositivo haciendo
parameters of a preamplifier like slew rate, bandwidth, pruebas de grabación de instrumentos con
total harmonic distortion (THD) and signal to noise ratio. diferentes micrófonos. Liles [2] toma como base el
For this process were used spectrum analyzers, signal hecho de que los recursos económicos no son una
generators, multimeters, cables, among others. To
excusa para adquirir buenos preamplificadores. support these methodologies, measurements shall be
Realiza una comparación entre los distintos made into four different preamps.
preamplificadores de bajo costo describiendo su
Keywords: Audio, bandwidth, preamplifier, signal to versatilidad a la hora de realizar conexiones y
noise ratio, slew rate, total harmonic distortion. configuraciones. De igual manera aclara que
aunque los resultados son buenos, en ningún
Resumen –En este artículo, se plantean metodologías momento igualarán a dispositivos de gama alta.
para la medición de los parámetros más importantes de Stackpole [3] describe físicamente el
un preamplificador: slew rate –tiempo de respuesta–,
preamplificador Mini-MP™, de la empresa ancho de banda –respuesta en frecuencia–, distorsión
Apogee© y sus diferentes tipos de armónica total –THD%– y relación señal ruido; para lo
configuraciones. Destaca que se encuentre un que se utilizan analizadores de espectro, generadores
decodificador MS, utilizado a la hora de realizar de señal, multímetro, cables, entre otros. Para
corroborar estas metodologías, se efectúan mediciones grabaciones con la técnica MS (Técnica de
en cuatro preamplificadores diferentes. grabación estéreo, llamada así por sus siglas en
ingles, Mid Side). Realiza comparaciones
Palabras clave: Ancho de banda, audio, distorsión subjetivas en 2 estudios de grabación diferentes,
armónica total, preamplificador, relación señal ruido. un estudio personal y un estudio profesional, estas
pruebas son realizadas con micrófonos de gama
1. INTRODUCCIÓN alta, y a su vez realiza una comparación con
Los preamplificadores de audio son parte preamplificadores de gama alta. Uno de los
primordial dentro del proceso de producción y aspectos que le llama la atención al autor, es su
grabación de una obra musical, ya que flexibilidad para el uso de fuentes de alimentación
acondicionan la señal antes de ser grabada. Su genéricas. Concluye que la calidad del
caracterización dentro del medio audiovisual se preamplificador es similar a algunos
hace de forma subjetiva, como es el caso de las preamplificadores de gama alta y que su precio lo
revistas enfocadas al audio, en donde los autores convierte en una excelente sugerencia para
usualmente realizan análisis poco profundos en pequeños estudios que busquen enriquecer su
cuanto a las características electrónicas de los calidad en producción y grabación.
equipos, evaluando generalmente el desempeño
de estos. Aunque este tipo de análisis lo realizan Es así como surge la necesidad de realizar un
personas expertas en el tema, se hace necesario análisis más objetivo del desempeño de los
medir el desempeño de dichos dispositivos. Es así preamplificadores de audio contemporáneos -sin
como surge la necesidad de realizar un análisis dejar atrás el aspecto subjetivo-; con el fin de
mas objetivo del desempeño de los comparar la información suministrada por los
preamplificadores de audio contemporáneos –sin fabricantes. Dentro de este contexto se plantean
abandonar el aspecto subjetivo– con el fin de metodologías para medir los principales
comparar la información suministrada por los parámetros de un preamplificador, utilizando
fabricantes. Dentro de este contexto, en este elementos comunes dentro de un estudio de
proyecto se plantean metodologías para medir los grabación, además de la utilización de software
principales parámetros de un preamplificador, especializado.
utilizando elementos comunes dentro de un
estudio de grabación, además de la utilización de 3. MARCO TEÓRICO
software especializado.
3.1 Preamplificador
2. JUSTIFICACIÓN Amplificador enfocado a realzar voltaje, en este
Wells [1] describe físicamente el preamplificador aspecto difiere con un amplificador de potencia.
Robbie™, de la empresa Blue©, especificando sus En el caso del preamplificador de micrófono, eleva
entradas, controles y apariencia física. Además, la señal desde el nivel de voltaje de micrófono, del
A. F. Pardo V. y S. Lopera G. “Métodos de análisis para preamplificadores de audio”. Ing. USBMed, ISSN: 2027-5846, Vol 1,
No. 1, pp. 63-69. Jul-Dic 2010. 63 Ing. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
orden de los mili voltios mV, hasta nivel de línea, múltiples pistas de audio digital y archivos de tipo
alrededor de 1 V. Otro característica importante es MIDI, con las herramientas necesarias para la
su respuesta en frecuencia –la ganancia varía con grabación, edición, mezcla y procesamiento de
la frecuencia–, ya que da el sonido característico a audio digital [5].
cada dispositivo. El preamplificador de audio
SpectraPLUS®. Es un analizador de espectro, que también es el encargado de acoplar la impedancia
se encarga de convertir una señal del dominio del entre el dispositivo de entrada y el dispositivo de
tiempo al dominio de la frecuencia. En el dominio salida [4].
de la frecuencia muestra lo que comúnmente se
3.2 Slew rate conoce como espectro. El ancho de banda de este
Velocidad máxima de cambio en el voltaje de software está determinado por la frecuencia de
salida de un amplificador, medida habitualmente muestreo máxima que permite la interfaz de audio
en V/ μs. Debe ser lo suficientemente elevada del computador [6].
como para reproducir las frecuencias agudas sin
003™. Es una interfaz de audio creada por distorsión, tanto más cuanto mayor sea el voltaje
Digidesign. Su comunicación con el computador se de salida del amplificador. Este parámetro es de
realiza a través de puertos FireWire. Posee 18 vital importancia a la hora de reproducir los
entradas simultáneas –8 entradas análogas y 10 transientes –señal de mucha energía en un
entradas digitales–, 8 entradas ADAT y 2 entradas intervalo corto de tiempo.
S/PDIF. Su frecuencia de muestro máxima es de
96kHz [7]. ∆ 8 (1)54 ?O∆
API™ 512c. Preamplificador de audio desarrollado
por API. Reconocido por su sonido característico y
Donde ∆ es el cambio de voltaje, y ∆ es el tiempo que
suave. Posee voltaje fantasma –Phantom Power– demora en cambiar dicho voltaje.
de 48V, ofrece una ganancia de 65 dB, un
atenuador de 20 dB y un inversor de fase [8]. 3.3 Relación señal/ruido (S/N ratio)
Cuantifica qué tan ruidoso es un sistema o una
Digimax FS™. Preamplificador de audio fabricado señal.
por la empresa Presonus. Posee 8
preamplificadores XMAX Clase A, con sus ?? ñ504 (2) respectivos controles de ganancia. Cuenta con un
?????
protocolo de comunicación tipo ADAT, que permite
expandir sistemas de grabación que tengan este
Donde A es la amplitud de la señal y A es la señal ruido mismo protocolo de comunicación. La máxima amplitud del ruido de fondo.
frecuencia de muestreo a la que el equipo puede
funcionar es de 96kHz [9]. 3.4 Ancho de banda
Es el rango efectivo donde el amplificador puede
Onyx 24-4™. Mesa de mezcla analógica funcionar correctamente con la mínima distorsión.
desarrollada por Mackie. Los preamplificadores de Se eligen como puntos de corte aquellos donde la
esta mesa son de tipo Onyx, fabricados por la potencia del amplificador cae al 50%.
misma empresa. Estos preamplificadores son
reconocidos por su buena calidad y bajo costo 3.5 Distorsión armónica total (THD%)
[10]. Cuantifica la distorsión armónica que entrega el
sistema. Su cálculo se referencia a un tono puro
ADAT Lightpipe. Es un estándar para la de 1 kHz –un armónico–, comparándolo con los
transferencia de audio digital mediante una armónicos que aparecen en la salida.
interfaz óptica. Originalmente fue desarrollada por

la empresa ALESIS, pero tiempo después fue
6∑ aceptada por los consumidores y otras empresas, (3)% L ∗ 100, 2,3,7, …
que fueron incorporando este tipo de interfaz en 5
sus propios productos. Este estándar utiliza cables
Donde A es la amplitud del armónico n. de fibra óptica y conectores de tipo Toslink en n
cada extremo. Permite transmitir audio digital con
4. MÉTODOS Y MATERIALES frecuencia de muestreo no mayor a 48 kHz.

5. METODOLOGÍA 4.1 Software y equipos
Como primer paso se grabaron las referencias
Pro Tools®. Es uno de los sistemas DAW mas necesarias para las distintas mediciones, con el fin
importantes y reconocidos en la producción de trabajar siempre con la misma fase, punto de
musical. Actualmente se trabaja con la versión 8, y inicio y punto de corte. Estos archivos se grabaron
es desarrollado por AVID, una de las empresas directamente utilizando Pro Tools 8 y un generador
más reconocidas a nivel mundial en producción de señal nativo del sistema DAW –Fig. 1. Este
audiovisual. Pro Tools ofrece una integración entre proceso de grabación se realizó mediante

64
>??##L#W?L?#>?;
L J
L
??
LIng. USBMed, V Vool. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
conexiones internas entre los diferentes canales Donde dBFs es el nivel digital, y A es la amplitud relativa
en digital. utilizados –buses.

Paara calcular eel slew rate sse necesita el voltaje dee
la señal de prueba –pulso en este caso–, y debido
a que se está trabajando en un sistema digital, es
necesario convertir los valores a voltaje.

Teniendo el sistema a la salida con 0 dBFs y un
tono puro de 1kHz, se midió el voltaje rms a salida
Fig. 1. Grabaciónn Señal de Reeferencia –luuego se calculó el niveel pico–, paara tener enn
cuenta la sensibilidad de salida.
Al tener la señal de referencia, se procede con la
conexión de los diferentes dispositivos como se 8 6, 185 ??????
observa en la Fig. 2 –Anexo 1. Primero se realizó
una configuración en el sistema DAW, de modo
8 6 ,185 √ 2 8 ,747
que la señal de referencia fuese enviada a través
de la salidda 3 de laa interfaz dde audio, p para
Coon la siguiente relación sse calculó el voltaje picoo posteriormeente entrar al preampliificador. De la
de cada medición partiendo del nivel digital: salida de cada preamplificador, a través de un
cable balanceado, se rutea la señal a la interfaz de 1 8 ,747
audio por la entrada cinco. Esta señal de entrada → 8 8, 747
8se graba y almacena para su posterior análisis en
SpectraPLUS. La primera medición se realizó con
El factor de 1 es la amplitud relativa para 0 dBFs –la 003, para conocer la respuesta del sistema en el
ecuación (4). que se trabaajaría.

Se analizó la forma de ondda para medir el tiempo Luego, se procedió a realizar las mediciones de
que demora en cambiar d de voltaje. Debido a que mplificador utilizando cada una de las cada prea
es una señal digital, se midieron los samples;; señales de referencia, y que luego de ser
teniendo en cuenta la frecuencia de muestreo de procesada por el preamplificador, arrojaría una
la señal de 96 kHz. Este análisis también se le nueva señal con comportamientos característico
aalizó a la reeferencia. C Con esta infoormación see rede cada unoo de los disppositivos a medir.
puede utilizar la ecuación ((1).
Para los procesos de medición se utilizaron tres
Ancho de banda. Su análisis es realiza mediante señales de referencia: ruido rosa, tono puro –1
un analizador de espectro –SpectraPLUS. La kHz–, y un pulso. El ruisa, contiene igual
señal de prueba utilizada fue el ruido rosa. contenido energético por banda de octava, por
esto se escoge para la medición del ancho de
Relación S/NN. Por medio del software banda. El toono puro es escogido paara la medicción
SppectraPLUS se midió el ruido de fonndo en cadaa del THD, deebido a que sólo tiene unna componeente
una de las mediciones. Debido a que se está espectral, y se estandarizó que las mediciones s se
trabajando en digital, el valor máximo es 0 dBFs,, realizaran a 1 kHz. Por último, el pulso representa
por lo tanto este valor se puede aproximar a la un cambio abrupto de nivel, lo que es ideal p para
relación S/N. medir la velocidad de respuesta.

6. RESULTADOS Y DISC CUSIÓN Para la conexión del Digimax FS se utilizó ó el
Coon los anterioores métodoss de medicióón se llegó aa protocolo dde comunicaación ADAT para conecctar
loss resultados contenidos een la Tabla 1, en dondee los dos dispositivos. Entonces la sseñal de sallida
se muestran los valores dee la distorsión armónica del preamplificador saldrá a través de ADAT de
tal, el slew rate y la relación señal ruido;; tomanera digital e irá directamente hacia el sistema
adicional a esto se calculó la distorsión armónica DAW de grabación.
total del sistema ( 6*& ). En las Fig. 3 a 7 –
5.1 Cálculo de parámetros An nexo 2– se compara el ancho de banda dell
THD%. Porr medio del software SppectraPLUS se sisstema con ell de cada disspositivo, essto con el finn
calculó la ddistorsión arrmónica totaal utilizando las dee verificar su desempeño..
señales de prueba de cada dispositivo –tono puro
El modelo utilizado por @ 1kHz. el software se Los datos contenidos en la Tabla 2 son los
basa en la ecuación (3) [11]. suministrados por los fabricantes.

Slew Rate

20 log (4)


65
#L?#>LL??
????? ?????
L
???L LIng. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
TABLA 1 situación las mediciones de este parámetro se
Resultados experimentales vieron afectadas.
SlewRate Relación THD% (<)
??⁄ ? S/N (>) [dB] API™ 512c. En este preamplificador existen dos
Digidesign tipos de entradas: entrada de alta impedancia y 0,00124 0,165 79,2
003 entrada de baja impedancia. Estás entradas son
API 512c
0,0026 0,14 70,3 utilizadas de acuerdo con el origen de la señal y
Mic in
su nivel. Al realizar un análisis subjetivo se API 512c
0,0018 0,134 79,5 demuestra superioridad en la calidad de sonido Hi Z in
con respecto a los demás preamplificadores Presonus
0,0088 0,093 74,9 estudiados. Se destaca por su sonido claro y Digimax FS
Mackie suave, además posee una buena respuesta en 0,0166 0,137 78,1
Onyx frecuencia, lo que le da un “color” único y propio.
6*& 0,00001% Este preamplificador fue el que presentó el mejor
desempeño.
TABLA 2
Datos suministrados por los fabricantes Digimax FS™. Su sonido es limpio y claro, tiene
Ancho de Relación muy buena respuesta en frecuencia, y a THD% (<)
Banda [Hz] S/N (>) [dB] frecuencias altas su comportamiento es muy
Digidesign bueno, sin embargo no se percibe un sonido 0,0007 20 a 20k ------
003 característico de este preamplificador.
API 512c
0,05 30 a 20k 95
Mic in
003™. Los preamplificadores de esta interfaz API 512c
0,05 30 a 20k 95 ofrecen una buena opción para grabaciones Hi Z in
sencillas e instrumentos que no produzcan alto Presonus
0,003 20 a 40k 101 nivel de presión sonora. Una de sus desventajas Digimax FS
Mackie es la ausencia de un atenuador –pad–, debido a
0,003 10 a 80k 87
Onyx que cuando sus controles de ganancia están al
mínimo presentan una amplificación de 18 dB.
7. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para un buen desempeño de los dispositivos, es Onyx 24-4™. Esta mesa de mezcla es una buena
necesario: opción para presentaciones en vivo y aplicaciones
de estudios de grabación. El hecho de que los
 Slew Rate alto en relación con la señal de preamplificadores se encuentren junto a otros
entrada. elementos electrónicos dentro de la consola –
 Un ancho de banda mínimo para el espectro ecualizadores, filtros, procesos dinámicos, entre
audible de 20 a 20 kHz otros– no aumenta el ruido interno, lo que se
 Alta relación señal ruido evidencia en la relación señal ruido calculada –
 THD < 0,05% considerablemente alta.

De forma general, ninguno de los dispositivos 8. CONCLUSIONES
posee grandes falencias, ya que presentan muy Por medio de las medidas realizadas se pudo
buen desempeño en el rango audible de 20 Hz a – corroborar que ninguno de los preamplificadores
20 kHz. Es necesario aclarar que todas las analizados presenta grandes falencias en su
mediciones se realizaron con señales digitales, desempeño, como lo muestra la Tabla 2, ya que
debido a la disponibilidad de los equipos. presentan un THD bajo, ancho de banda
adecuado para señales de audio, alta relación
Es importante aclarar que aunque los valores de señal ruido y un slew rate alto en relación con la
relación señal/ruido no son comparables entre sí, señal de entrada, y mostrando resultados
debido a que no se utilizaron las mismas señales congruentes con los suministrados por los
de prueba, estos resultados muestran de manera fabricantes.
aproximada el desempeño de los
preamplificadores. Las metodologías utilizadas mostraron buenos
resultados, teniendo en cuenta que se utilizaron
Durante la realización de las mediciones existieron señales digitales para el análisis. Aunque el uso
algunos problemas en cuanto a los equipos que se de este tipo de señales necesariamente implica
utilizaron para la realización del trabajo. El más pérdida de información, ya que se pasa de una
importante fue la selección y uso de los cables señal continua a una señal discreta en el tiempo,
utilizados para la conexión entre dispositivos. su utilización se justifica por la facilidad de análisis,
Estos cables no deberían inducir ruido a la señal, y bajo costo debido a la posibilidad de utilizar un
pero en este caso los cables lograban inducir computador en lugar de dispositivos análogos.
ruido, que posteriormente afectaría la medición de
la relación señal ruido. De acuerdo con esta

66
?>
??????????OIng. USBMed, Vol. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
Agradecimientos 3. K. Stackpole, “Apogee”. Electronic Musician. Vol. 20,
No. 8, pp. 120-120, 2004. Los autores reconocen las contribuciones de
4. D. M. Thompson, “Understanding audio”. Boston: Jeniffer Torres y Oscar Cardoso en el desarrollo
Berklee Press. 360 p. 2005. del trabajo.
5. http://www.avid.com/US/products/Pro-Tools-8-
Software/. Abril 2010.
REFERENCIAS 6. http://spectraplus.com/Downloads/SpectraPLUS_50_
Users Guide.pdf. Abril 2010.
1. R. Wells, “A solid preamp that has powerful EQ”. 7. http://www.avid.com/US/products/003-Factory
Electronic Musician, Vol. 22, No. 5, pp. 106-109, /specifications. Abril 2010.
2006. 8. http://apiaudio.com/512c.html. Abril 2010.
2. B. Liles, “Microphone preamps”. Sound & Video 9. http://www.presonus.com/media/manuals/1digimax_
Contractor. Vol. 23, No. 9, pp. 50-56, 2005. fs_manualv1.pdf. Abril 2010.



67 Ing. USBMed, V Vool. 1, No. 1, Jul-Dic 2010
ANEXO 1


(a) Diagrama de conexión para el sistema 003™


(c) Diagramaa de conexión para API™
512c



(b) Diagrama de conexión para la mesa de (d) Diagrama de conexión para Digimax
mezcla Onyx 24-4™ FS™
Fig. 2. Diiagramas de conexión


68 Ing. USBMed, V Vool. 1, No. 1, Jul-Dic 2010

Fig. 3. Comparación del ancho de banda entre la 003 Fig. 4. Comparación del ancho de banda entre el API
y la referencia 512c (mic in) y la referencia

Fig. 5. Comparación del ancho de banda entre eel API Fig. 6. Comparación del ancho de banda entre el
512c (Hi Z in) y la referencia DigimaxFS y la referencia

Fig. 7. Comparación del ancho de banda entre la ONYX 24-4 y la refeerencia




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