Tendencias modernas Tendencias modernas de diseño electrónico de diseño electrónico

para audio.para audio.

Alejandro Silva 2013Alejandro Silva 2013

Ingeniero de Ejecución en SonidoIngeniero de Ejecución en Sonido

Cadena de información

Medio acústicoDriver-Parlante-Audífonos

Medio eléctricoDAC-Amp-SP-Driver

Medio digitalADC-Editor-DAC

Medio eléctricoMic-Pre-Amp-SP-ADC

Medio acústicoInstrumentos, Voz, Mic

Lee De ForestLee De Forest

1500x1600 pixeles

Peter L. JensenPeter L. Jensen

87x70 pixeles

William ShockleyWilliam Shockley

25x35 pixeles

Fotografía de 25x35 Fotografía de 25x35 pixeles.pixeles.

Fotografía de Fotografía de 700x600 pixeles.700x600 pixeles.

875 pixeles versus 420.000 pixeles, esto es una diferencia en resolución de 54dB.

Oído humano

Son 1.8732x10^23 colisiones de moléculas de aire con el tímpano en 1 segundo.

En 50µseg (período de una frecuencia de 20KHz) hay 9.365x10^18 colisiones.

Si esto fuera un sistema digital por cada ciclo habrían 450x10^12 muestras.

Si cada partícula colisionante fuera un bit la resolución del sistema sería de 63 bits. Esto equivale a un rango dinámico de 379dB.

Comparaciones de resoluciónComparaciones de resolución

La razón de densidades entre gases y metales (conductores) es de aproximadamente 6 veces.

La razón volumétrica molar entre metales y gases es del orden de 3400 veces.

Una perturbación en el aire de una pieza de 20 metros cúbicos puede representarse sin pérdida de resolución por 5.8 centímetros cúbicos de cobre (1.8x1.8x1.8cm).

Una cápsula magnética de guitarra tiene una bobina con 5.67x10^23 electrones libres (asumiendo AWG42 y 10KΩ). De éstos unos 3.1x10^21 participan en la conducción.

Stomp BoxesStomp Boxes

Efectos de antañoEfectos de antaño

• Nivel de integración bajo• Componentes reactivos grandes• Semiconductores e integrados de primera o segunda generación

Efectos de antañoEfectos de antaño

• Construcción punto a punto o con tarjeta de sujeción.• Controles, entradas y salidas cableadas.

Tecnología SMD

• Nivel de integración muy alto.• Componentes resisitivos y reactivos diminutos.

Tecnología SMD

• Trazas de cobre extremadamente delgadas.

Tecnología SMD

• Integrados de última generación (tecnología de 25µm)

• Efectos idénticos exceptuando los condensadores plásticos y semiconductores.

• El efecto antiguo cuesta entre 1.5 y 3 veces más caro que el moderno.

• Hay entre 5 y 16 veces más oferta del moderno.

Comparación entre un efecto moderno y uno vintage

50 Watts Stereo en 8Ω50 Watts Stereo en 8Ω

Clase D

• Permite una eficiencia eléctrica sobre el 90%.• Esto reduce no solo el costo, si no también el peso.

Clase D

• Un amplificador stereo de 50 watts cuesta en promedio USD 88.

Clase D

• El único componente crucial es el inductor de salida.

Clase A Solid State

• Líder indiscutido en calidad de sonido del estado sólido.• Tienen las mejores especificaciones de ruido, damping y THD.

Clase A Solid State

• Necesitan grandes disipadores.

• Su ineficiencia los hace muy pesados.

Clase A Solid State

Clase A Solid State

• Un amplificador stereo de 50 watts cuesta en promedio USD 12500.

Clase A Tubos

• Single Ended Triode

Clase A Tubos

• Generalmente son monoblocks y usan un tríodo de potencia único.

• Son circuitalmente muy simples.

• La potencia de salida es pequeña.

Clase A Tubos

• El transformador de salida es desproporcionadamente grande para lograr eficiencia en baja frecuencia.

Clase A Tubos

• Escuchar música através de un amplificador S.E.T. es considerado por expertos como una experiencia mística.

2.16 5.6668

250

653

0

100

200

300

400

500

600

700

Clase D Clase AB SolidState

Clase ABTubos

Clase A SolidState

Clase A Tubos

U$ por Watt

Valor de cada watt en un amplificador de 50 Watts Stereo

Kilogramos por Watt

0.050.14

0.376

1

1.4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Clase D

ClaseAB

SolidState

ClaseAB

Tubos

Clase A

SolidState

Clase A

Tubos

Kg por Watt

Rango dinámico (metal film)Rango dinámico (metal film)

220KΩ 2W220KΩ 2W

Vruido=9.54µVVruido=9.54µV

Vmax=663VVmax=663V

20log(Vmax/Vruido)=157dB20log(Vmax/Vruido)=157dB

220KΩ 0.25W220KΩ 0.25W

Vruido=11.04µVVruido=11.04µV

Vmax=235VVmax=235V

20log(Vmax/Vruido)=147dB20log(Vmax/Vruido)=147dB

Rango dinámico (carbon film)Rango dinámico (carbon film)

220KΩ 2W220KΩ 2WVruido=10.54µVVruido=10.54µVVmax=663VVmax=663V20log(Vmax/Vruido)=156dB20log(Vmax/Vruido)=156dB

220KΩ 0.25W220KΩ 0.25WVruido=16.04µVVruido=16.04µVVmax=235VVmax=235V20log(Vmax/Vruido)=143dB20log(Vmax/Vruido)=143dB

Rango dinámico (Thin Film SMD)Rango dinámico (Thin Film SMD)

220KΩ 0805 0.25W220KΩ 0805 0.25W

Vruido=9.54µVVruido=9.54µV

Vmax=200VVmax=200V

20log(Vmax/Vruido)=146dB20log(Vmax/Vruido)=146dB

Rango dinámico (wirewound)Rango dinámico (wirewound)

220KΩ 5W220KΩ 5W

Vruido=8.54µVVruido=8.54µV

Vmax=1049VVmax=1049V

20log(Vmax/Vruido)=162dB20log(Vmax/Vruido)=162dB

Rango dinámico (trazas de cobre)

Largo=1cmLargo=1cm Ancho=1mmAncho=1mm Grosor=35µmGrosor=35µm R=4.43mΩR=4.43mΩ Imax=0.35AImax=0.35A Vmax=1.55mVVmax=1.55mV Vruido=1.21nVVruido=1.21nV 20log(Vmax/Vruido)=122dB20log(Vmax/Vruido)=122dB

RangoDinámico=20logVMAXVRUIDO

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟ =20log

IMAX ⋅R

4⋅kT ⋅R ⋅BW[ ]1/2

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟ =20log

JMAX ⋅ρ ⋅L A4⋅kT⋅ρ ⋅L A⋅BW[ ]

1/2

⎛

⎝

⎜ ⎜ ⎜

⎞

⎠

⎟ ⎟ ⎟

• Rango dinámico de una traza de cobre es en definitiva ≈217+10logV ,siendo V el volumen de Cu.

Rango dinámico (trazas de cobre)

Rango dinámico (cables de cobre)

Cable de 24 hebras de ø0.2mm.Cable de 24 hebras de ø0.2mm. 0.75 mm cuadrados de sección.0.75 mm cuadrados de sección. L=15cmL=15cm R=3.9mΩR=3.9mΩ Imax=7AImax=7A Vmax=27.3mVVmax=27.3mV Vruido=1.14nVVruido=1.14nV 20log(Vmax/Vruido)=148dB20log(Vmax/Vruido)=148dB

Resolución del estado sólido

Un transistor de salida tiene actualmente un área de aproximadamente 30mm cuadrados (tecnología de 150µm).

La cantidad mínima de transistores necesarios para 50Watts en clase AB es de 2.

En consecuencia el número de partículas que llevan la información es del orden de 9x10^14.

Resolución del estado sólido

Transistor de potencia moderno

Transistor de potencia antiguo

Resolución del S.E.T.

EL transfomador de salida de un SET de 50Watts puede tener 1Kg de alambre de Cu y un núcleo de 5Kg de fierro.

Solo la bobina contiene aproximadamente 3x10^22 partículas que llevan información.

Esto es una resolución 150dB

(3.2x10^6) mayor que un equipo con 2 transistores de salida.

TuboTuboss

El telefunken 12AX7 es un El telefunken 12AX7 es un tubo NOS popular.tubo NOS popular.

La producción paró en la La producción paró en la década del 80.década del 80.

Su valor comercial es en Su valor comercial es en promedio USD 100, 20 promedio USD 100, 20 veces más que la veces más que la alternativa china o alternativa china o sovietica nueva.sovietica nueva.

TubosTubos

El 300B es un tríodo de bajo El 300B es un tríodo de bajo mu capaz de entregar una mu capaz de entregar una potencia de 15 Watts.potencia de 15 Watts.

Su valor fluctúa entre USD 50 Su valor fluctúa entre USD 50 y USD 1200 (2400%).y USD 1200 (2400%).

Tiene una de las mayores Tiene una de las mayores áreas de emisión en el áreas de emisión en el cátodo.cátodo.

ConclusionesConclusiones

Las tendencias modernas asociadas a la industria digital no deben influenciar el diseño electrónico para audio de alta calidad.

No existe un motivo audible para la miniaturización extrema.

Se puede diseñar y fabricar electrónica de alta resolución de manera barata.

Maximizar el número de partículas que llevan información es la clave.

La forma de mejorar el sonido de un diseño es reforzar el eslabón débil (de menor resolución) en la cadena de señal.