Práctica Capítulo 4

CAPITULO 4. Módulo Oscilador controlado por tensión (VCO)

Los osciladores controlados por tensión (VCO) son el corazón de cualquier sintetizador. La calidad de los VCO determina en última instancia el rendimiento del sintetizador y, dada su importancia, se dedicarán dos artículos a su diseño y construcción.

Los dos requisitos principales del VCO de un sintetizador son la estabilidad y un buen seguimiento. Estabilidad significa que, si la tensión de control aplicada al VCO permanece constante, la frecuencia del VCO también debe permanecer constante y no derivar. Seguimiento significa que el VCO debe seguir la característica logarítmica prescrita de 1 octava/V lo más cerca posible. En particular, cuando se utilizan varios VCO, todos deben tener características similares. Estos parámetros son especialmente importantes en un instrumento donde se utilizan varios VCO simultáneamente. En un sintetizador que utiliza sólo un VCO, es posible que no se note una ligera desviación de la característica 1 octava/V, ya que el oído no es particularmente bueno juzgando la frecuencia absoluta, a menos que una persona tenga un «tono perfecto». Por ejemplo, si dos o más VCO están afinados al mismo tono, cualquier ligera de-sintonía es audible en forma de notas que tienen una frecuencia igual a la diferencia entre las frecuencias de los dos VCO. La ligera de-sintonización entre VCO se emplea frecuentemente de forma deliberada. Si el grado de desajuste es leve, las frecuencias de batido son bajas y las notas de batido no son audibles, pero se obtiene un agradable efecto de coro o phasing, especialmente si se utilizan varios VCO. Esto confiere al sonido un carácter mucho más vivo que contrasta con el sonido estéril de los instrumentos de fase fija, como los órganos electrónicos basados en un sistema divisor (véase la figura 1). Sin embargo, si las frecuencias de los VCO se alejan debido a una mala estabilidad, las notas de batido se vuelven rápidamente molestas y desagradables y, en última instancia, se oye una discordia. Si un acorde se establece en un tono determinado, los intervalos musicales del acorde se mantendrán cuando se transponga el acorde a un tono diferente. Sin embargo, si el seguimiento de los VCO es deficiente, no será así y se producirá una discordia.

Fig.1

Una buena prueba de los VCO en un sintetizador es afinarlos juntos para que no se escuchen notas de compás y comprobar que la afinación se mantiene durante un periodo de tiempo y con cambios en parámetros como la tensión de alimentación, la temperatura, etc. La afinación entre los VCO también debe mantenerse cuando se transpone el tono. Cualquier VCO que no cumpla estos criterios es inútil para un sintetizador, y el diseño de un VCO de sintetizador adecuado es necesariamente bastante complejo.

Diagrama de bloques.

El circuito VCO utilizado sigue la forma propuesta por Robert Moog (figura 2). La etapa de entrada del VCO consiste en un amplificador sumador en el que se pueden introducir varias tensiones de control.

Fig.2

El voltaje de control resultante se alimenta a un convertidor exponencial de voltaje-corriente, cuya corriente de salida se duplica por cada aumento de 1 V en el voltaje de entrada. La salida de este convertidor controla un oscilador lineal controlado por corriente, que produce una forma de onda de diente de sierra. Por último, un modelador de curvas conectado a la salida de diente de sierra proporciona otras cuatro formas de onda: diente de sierra espaciado, onda cuadrada, triángulo y onda senoidal.

Sección del oscilador.

El oscilador en diente de sierra con control por corriente (en adelante CCO) es el corazón del circuito VCO, como se ha explicado anteriormente. La sección del CCO se muestra en la figura 3. La salida del convertidor exponencial de corriente de tensión que alimenta esta sección está representada por el símbolo de la fuente de corriente en la parte inferior izquierda del diagrama. Por supuesto, esta corriente varía en función de la tensión de control aplicada al convertidor exponencial. Los FET T2 y T3 están conectados como seguidores de fuente; su alta resistencia de entrada asegura que no se robe corriente significativa de la fuente de corriente, incluso a corrientes bajas, ya que esto estropearía la linealidad en diente de sierra y podría afectar a la linealidad corriente-frecuencia del CCO. IC1 es un disparador Schmitt que detecta cuando la tensión de diente de sierra ha alcanzado un nivel predeterminado.

Fig.3

El circuito funciona de la siguiente manera: supongamos que inicialmente C2 está descargado. La tensión en la puerta de T2 será entonces de casi +5 V, y como T2 funciona como seguidor de fuente la tensión en la entrada de IC1 estará por encima del umbral de disparo positivo de este disparador Schmitt, por lo que su salida es baja y T1 se apaga. A medida que C2 se carga desde la fuente de corriente, el voltaje de puerta de T2 caerá a medida que el voltaje a través del condensador aumenta. Como C2 se está cargando desde una fuente de corriente constante, la tensión a través de él aumentará linealmente con el tiempo, de acuerdo con la ecuación

UC2 = I x t/C2.

Cuando la tensión a la entrada de IC1 haya caído por debajo de su umbral de conmutación negativo, la salida de IC1 se pondrá a nivel alto, lo que encenderá T1 y descargará C2 hasta que la tensión de entrada de IC1 haya subido por encima de su umbral positivo, momento en el que T1 se apagará y se repetirá todo el ciclo. En la figura 4 se muestra un detalle de las formas de onda de salida y entrada de IC1 durante la descarga de C2. El FET T3 es simplemente una etapa tampón de salida. Como se ha mencionado anteriormente, el uso de dos etapas tampón en cascada asegura que cualquier carga en la salida no pueda afectar a la linealidad o estabilidad de frecuencia del CCO. El ajuste de P9 afecta a la linealidad de alta frecuencia del CCO y se utiliza para ajustar el seguimiento del VCO a altas frecuencias.

Fig.4

Dado que se utilizan FET de canal N para los búferes seguidores de fuente, la tensión de la fuente siempre es ligeramente positiva con respecto a la tensión de la puerta, de modo que incluso cuando la puerta de T2 está a cero voltios, siempre hay una ligera tensión positiva en la fuente. Si la fuente de T2 estuviera conectada directamente a la entrada de IC1 sería posible que la tensión de la fuente de T2 (mínimo, dependiendo de las tolerancias del FET, típicamente 1 V) nunca cayera por debajo del umbral negativo de ICl (típicamente 0,85 V). Por esta razón T2 está conectado a la entrada de IC 1 a través de un divisor de potencial que comprende R18 y P10 , este último se ajusta para asegurar que el oscilador se inicia de forma fiable.

El convertidor exponencial.

El convertidor exponencial tensión-corriente duplica la corriente de salida suministrada al CCO, y por tanto la frecuencia del CCO, por cada 1V de aumento de la tensión de control. Al igual que la mayoría de estos circuitos, el convertidor exponencial utiliza la corriente de colector (exponencial) frente a la tensión base-emisor característica de un transistor bipolar. Todos los transistores presentan esta relación exponencial, pero no todos son aptos para su uso en circuitos exponenciadores. La razón es que la corriente de fuga del colector puede causar una desviación de la característica a bajas corrientes de colector, y la resistencia de base del transistor puede causar una desviación a altas corrientes de colector. Existen transistores especiales para este tipo de aplicaciones, pero incluso éstos tienen sus limitaciones debido a la dependencia de la temperatura de la corriente de colector. En torno a la temperatura ambiente, la corriente de colector se duplica para un aumento de Vbe de unos 17 mV . Sin embargo, un aumento de temperatura de unos 10°C también duplicará la corriente del colector, por lo que es evidente que, a menos que se emplee alguna forma de compensación de temperatura, incluso pequeños cambios de temperatura causarán variaciones notables en el paso del VCO. Existen dos métodos para reducir la influencia de los cambios de temperatura (ambiente), ambos utilizados en el VCO del sintetizador. El primero consiste en utilizar un par de transistores adaptados en el convertidor exponencial, uno de los cuales se utiliza para compensar la temperatura. El segundo método consiste en mantener constante la temperatura del chip de los transistores. Con ambos métodos se consigue una precisión y estabilidad absolutas del convertidor exponencial. La estabilización de la temperatura del chip puede parecer una tarea complicada, pero afortunadamente existe un circuito integrado específico, el μA 726. Consta de dos transistores NPN emparejados y también contiene un circuito de control de temperatura que mantiene constante la temperatura del chip.

En la figura 6 se muestra el circuito del convertidor exponencial. IC4 no forma parte estrictamente del convertidor, sino de la sección del amplificador sumador.

Fig.6

A la temperatura de funcionamiento del 726 se requiere un aumento de Vbe de entre 19 y 23 mV por cada duplicación de la corriente de colector, por lo que la salida de 1V/octava del teclado debe atenuarse. IC4 se conecta como un amplificador inversor con una ganancia de -0,023 7. Como la entrada KOV (CV) es siempre positiva la salida de IC4 será siempre negativa, y dará una salida de -23,7 mV por voltio de entrada. P7 permite variar la tensión de entrada al convertidor exponencial entre -18,7 y -23,7 mV por voltio de entrada, para compensar las tolerancias de IC3. El convertidor exponencial propiamente dicho comprende IC2 e IC3. La entrada no inversora de IC2 está conectada a tierra a través de R14, por lo que la entrada inversora también debe estar a potencial de tierra (virtual). Para que esto sea así, por R11 debe circular una corriente constante de 15 μA, es decir, la corriente de colector de Ta debe ser constante a 15 μA. La conversión de tensión a corriente se puede explicar ahora de la siguiente manera. Si la tensión de entrada KOV (CV) se incrementa en 1V, entonces la tensión de base de Ta caerá alrededor de 20 mV (dependiendo del ajuste de P7). Como la corriente de colector de Ta no puede disminuir, la tensión de salida de IC2 debe caer para reducir la tensión de emisor de Ta en 20 mV, manteniendo la misma tensión de base emisor y, por tanto, la misma corriente de colector. Como la base de Tb está conectada a tierra esto significa que la base-20 m V, y la corriente de colector de Tb se duplicará. El colector de Tb está conectado a P9 en el circuito CCO, como se muestra en la esquina superior derecha de la figura 6.

Amplificador sumador.

El amplificador sumador, parte del cual se mostró en la figura 6, se muestra en su forma completa en la figura 7.

Fig.7

El punto KOV (CV) está conectado permanentemente a la salida de 1 V/octava del teclado, pero la entrada del amplificador sumador puede conmutarse entre este punto y una toma de tensión de control externa (ECV). Los potenciómetros P1 y P2 ofrecen un ajuste grueso y fino de una tensión de desplazamiento de CC para transponer el tono del VCO para establecer acordes ascendentes, etc. El preajuste P8 también se proporciona como un control de desplazamiento que compensa la tensión de desplazamiento de entrada de IC4, y establece la frecuencia más baja del VCO (alrededor de 15 Hz). Se proporciona una entrada de modulación de frecuencia (FM), que puede alimentarse con señales externas (CA) para obtener efectos de vibrato, etc. La profundidad de modulación puede ajustarse mediante P3, siendo la sensibilidad máxima de unas 2 octavas/V con P3 girado totalmente en el sentido de las agujas del reloj. Como se ha mencionado anteriormente, el amplificador sumador tiene en realidad una ganancia muy inferior a uno, de modo que la tensión de salida de IC4 se reduce a -23,7 mV por voltio de entrada.

Formadores de curvas.

Una vez que nos hemos asegurado de que el diseño del VCO es satisfactorio, podemos considerar el diseño de la sección de modelado de curvas, que influye en las características musicales del VCO. El procesamiento principal de las formas de onda del sintetizador se realiza mediante filtros controlados por voltaje (VCF) que eliminan ciertas frecuencias de una forma de onda rica en armónicos. En las figuras 8 y 9 se muestran los espectros de dos conocidas formas de onda ricas en armónicos: el diente de sierra, que contiene todos los armónicos pares e impares de la fundamental, y la onda cuadrada, que sólo contiene los armónicos impares.

Fig.8 Fig.9

Sin embargo, este enfoque tiene sus limitaciones si sólo se proporciona una forma de onda a la salida del VCO. Utilizando como ejemplo las dos formas de onda que acabamos de mencionar, ningún filtrado generará los armónicos pares necesarios para convertir una onda cuadrada en un diente de sierra, y sería muy difícil filtrar todos los armónicos pares de un diente de sierra para hacer una onda cuadrada. Por lo tanto, es obviamente útil tener varias formas de onda diferentes disponibles en la salida del VCO. En la figura 10 se muestra un diagrama de bloques del formador de curvas.

Fig.10

La salida de diente de sierra del VCO se alimenta a los circuitos formadores de curvas, que producen respectivamente formas de onda de diente de sierra, triangular, senoidal y cuadrada. El ancho de pulso de la onda cuadrada puede modularse mediante una señal de control externa, como se explicará en la descripción de esta parte del circuito. Las cinco formas de onda pueden seleccionarse mediante interruptores para ser alimentadas, individualmente o combinadas, a un amplificador sumador.

 

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