Práctica. Capítulo 9.

CAPITULO 9. Amplificador controlado por tensión VCA.

 

Este artículo continúa la discusión de los circuitos de formación de tono con una descripción del módulo Dual VCA, que se puede utilizar junto con el formador de envolvente para el control dinámico de la amplitud de la señal, y también para la modulación periódica de la amplitud de la forma de onda de la señal (trémolo).

El módulo de amplificación controlada por tensión se denomina «Dual VCA» porque contiene dos amplificadores en cascada, pero controlados independientemente. La ganancia del primer amplificador está controlada por tensión a través de un convertidor exponencial y se utiliza para dar forma a la envolvente. El segundo tiene una entrada de control de ganancia lineal y se utiliza para la modulación periódica de la amplitud de la señal (trémolo). El VCA está provisto de un indicador de modulación, que permite obtener el mejor compromiso entre la relación señal/ruido y el margen de sobrecarga.

Conexión del VCA en el sistema sintetizador.

La figura 1 ilustra cómo encaja el VCA en el sistema sintetizador. El VCA toma su entrada de la salida del VCF, que a su vez toma su señal de entrada de los VCOs. Tanto el VCF como el VCA pueden ser controlados por los moduladores de envolvente ADSR, permitiendo así la variación dinámica del color del tono y la amplitud durante la reproducción de una nota. Sin embargo, el VCF tiene una entrada KOV del teclado que le permite funcionar como filtro de seguimiento, pero el VCA carece de ella, ya que no hay control de la amplitud de la señal relacionado con el tono.

 

Fig.1

 

Uso del VCA y el VCF

Puede ser interesante en este punto dedicar un poco de tiempo a comparar y contrastar los efectos producidos por el VCA y el VCF, y discutir cómo se utilizan para complementarse entre sí en el sistema de síntesis. Como ejemplo, consideremos el caso en el que el VCA y el VCF están controlados por la misma forma de onda del formador de envolvente, que consiste en un ataque rápido y un decaimiento exponencial relativamente lento, como se muestra en la figura 2a, y se alimentan con una forma de onda de diente de sierra de 440 Hz.

Fig. 2a

 

Si el VCF se utiliza solo en el modo de paso bajo y la frecuencia de corte del filtro se ajusta inicialmente muy baja, la señal de entrada se suprimirá por completo. Sin embargo, durante la fase de ataque de la forma de onda de control de la envolvente, la frecuencia de corte del filtro aumentará muy rápidamente, y tanto la amplitud como el contenido armónico de la nota aumentarán a medida que primero la fundamental, y luego los armónicos, se pasan. Durante la fase de decaimiento lento, la nota se apagará lentamente a medida que la frecuencia de corte caiga, empezando por los armónicos superiores, luego los inferiores y, finalmente, la fundamental. La variación en la frecuencia de corte del filtro se ilustra en la figura 2b. El tono así producido no es diferente al de un clavicordio, o al de un piano al que se le han clavado chinchetas en los martillos para producir un efecto «honkytonk».

Fig. 2b

 

Si se introducen las mismas formas de onda de señal y control en el VCA, la amplitud de la señal aumentará rápidamente a medida que aumente la ganancia durante la fase de ataque, y disminuirá lentamente durante la fase de decaimiento, aunque el contenido armónico de la señal permanecerá inalterado. El sonido así producido es similar al de instrumentos de percusión como el piano y el xilófono. Variando los tiempos de ataque y caída de los formadores de envolvente, se puede producir una amplia variedad de colores de tono y dinámicas de amplitud utilizando el VCF y el VCA conjuntamente.

Consideraciones sobre el diseño del VCA.

El VCA dual contiene dos amplificadores cuyas ganancias son controlables independientemente por voltaje, y el diseño del VCA plantea ciertos problemas, el principal de los cuales es la obtención de un rango dinámico adecuado, como se ilustra en las figuras 3a a 3d.

La figura 3a muestra un contorno de control del formador de envolvente. En el pico del contorno de control, el VCA debe tener una ganancia máxima infinita, que, para los propósitos de esta discusión, se supondrá que es la unidad, o 0 dB. Al principio y al final de la nota, la señal debe ser inaudible, lo que significa que la ganancia del amplificador debe ser infinitesimal en esos momentos. En la práctica, si la ganancia es de unos 70 dB, será suficiente.

Fig. 3a

 

Lo que ocurre si el rango dinámico es inadecuado se muestra en la figura 3b. Supongamos que la ganancia del amplificador se puede variar en un rango de sólo 40 dB más o menos, y se ajusta a 0 dB en el pico del contorno de control. Al principio y al final de la nota, la señal sólo estará 40 dB por debajo, y si la nota se está tocando fortissimo, entonces esta señal residual seguirá siendo bastante audible.

Fig. 3b

 

Otro fallo de los VCA mal diseñados se ilustra en la figura 3c. En este ejemplo, el VCA se corta completamente por debajo de un cierto nivel de tensión de control, y pierde parte del periodo de ataque y caída de la nota. Podría decirse que es el fallo opuesto al de la figura 3b, aunque no está directamente relacionado con el rango dinámico, sino más bien con la no linealidad extrema de la característica de control.

Fig. 3c

 

Volviendo al ejemplo del VCA con sólo 40 dB de rango dinámico, si la ganancia se ajusta para que la señal sea audible al principio y al final de la nota (es decir, unos 70 dB por debajo), sólo podrá aumentar 40 dB cuando se aplique la tensión de control, en lugar de los 70 dB necesarios para alcanzar el nivel de 0 dB. El resultado es una meseta de amplitud, como se muestra en la figura 3d.

Fig. 3d

 

Como ya se ha mencionado brevemente en este artículo, el control de la sección de modelado de la envolvente del VCA se realiza de forma exponencial. Esto es para compensar la respuesta logarítmica de sonoridad del oído humano. Por otro lado, el control de la sección de modulación de amplitud periódica (trémolo) es lineal, ya que proporciona el sonido más «suave» y «dulce» al efecto de trémolo.

Principio del VCA.

El VCA utiliza el OTA CA3080 como amplificador controlable, como en el VCF. El principio del VCA se ilustra en la figura 4. La tensión de entrada Ui se convierte en una corriente de salida proporcional Io = gm x Ui. Sin embargo, ya que estamos interesados en la amplificación de voltaje, esta corriente de salida debe convertirse en un voltaje de salida, y esto se hace simplemente alimentando la corriente a través de una resistencia de carga RL para producir un voltaje de salida Uo = gm x Ui x RL.

Fig. 4

 

La transconductancia del amplificador, gm, puede variarse mediante una corriente de control IABC, como se explica en el capítulo 6, y la ganancia del VCA puede así controlarse, aunque en esta fase se trata de un CCA. La salida del OTA no puede conducir ninguna carga externa además de RL, ya que esto reduciría la impedancia de carga y alteraría la ganancia, por lo que la salida del OTA está conectada a un voltaje de seguimiento / buffer con una alta impedancia de entrada.

Ambas secciones del VCA funcionan según el mismo principio. Sin embargo, sólo se amortigua la salida del segundo OTA, ya que es esta salida la que se conecta a cualquier carga externa. Como la salida del primer OTA no tiene conexión externa, se conecta simplemente a la entrada del segundo OTA.

El OTA tiene una desventaja que no puede ignorarse. Como se mencionó anteriormente, su linealidad sólo es buena para señales de entrada pequeñas (normalmente ± 10 mV), por lo que se requiere un alto grado de adaptación de la señal de entrada. Esto significa que la relación señal/ruido no es excepcionalmente buena, y por esta razón es mejor utilizar el VCA con la mayor señal de entrada posible consistente con una baja distorsión. Se proporciona un indicador de modulación, que permite obtener el mejor compromiso entre el ruido excesivo, a bajos niveles de entrada, y la distorsión a altos niveles de entrada.

Circuito del VCA

La figura 5 muestra el circuito completo del VCA. El convertidor exponencial construido alrededor de IC1 e IC3 se reconocerá inmediatamente, ya que es muy similar al utilizado en el VCF. La configuración de entrada, sin embargo, es mucho más simple, ya que sólo hay una entrada externa, ENV, desde el formador de envolvente. Sin embargo, la configuración de entrada es mucho más simple, ya que sólo hay una entrada externa, ENV, de la envolvente.

Fig. 5

 

La característica de ganancia/tensión de control del VCF es de aproximadamente 12 dB/voltio, pero como sugiere el uso de la palabra «aproximadamente», la precisión de esta característica es relativamente poco importante, a diferencia de las características de voltio/octava del VCO y el VCF. El oído es mucho menos crítico con los errores de amplitud que con los de frecuencia. La característica dB/voltio del VCA puede ajustarse mediante P2, mientras que P1 es un trimmer de offset. La corriente de salida del convertidor exponencial controla la ganancia del primer OTA, IC6.

El convertidor lineal tensión-corriente está construido alrededor de IC2, que está conectado como un amplificador sumador inversor. Una señal de entrada puede ser alimentada a P4 a través de la toma de entrada AM, y una tensión de entrada de CC está disponible en P3 (‘Ganancia’), Ambas tensiones de entrada causan corrientes proporcionales a fluir a través de R12 y R13, y puesto que estas corrientes no pueden fluir en la entrada inversora del op-amp fluyen alrededor del bucle de retroalimentación a través de T1, y en la entrada de control de IC7.

La señal de audio que llega al VCA puede proceder de la entrada de señal interna (IS), permanentemente cableada, o de la toma de señal externa (ES), situada en el panel frontal del módulo VCA. La amplitud de la señal de entrada externa se controla mediante PS, mientras que la amplitud de la señal interna se controla en la salida IOS del VCA, mediante P6 del módulo VCA.

IC4 funciona como un amplificador sumador con una ganancia de – 1, y el nivel de señal a la salida de IC4 se controla mediante el indicador de modulación construido alrededor de IC5. P1 es un amplificador no inversor que alimenta un puente rectificador D1 a D4, cuya salida controla el LED indicador de modulación D5. Una vez que el nivel máximo de la señal a la salida de IC5 excede los voltajes combinados de D1 más D5 más D4 (o D3 más D5 más D2) entonces el LED comenzará a brillar y brillará más a medida que el nivel de la señal aumente. P6 se utiliza para ajustar la ganancia de IC5 para que D5 comience a brillar en el nivel de señal donde la sobremodulación comienza a ocurrir.

La señal de salida de IC4 es atenuada por R19 y R20 hasta un nivel que el OTA, IC6, puede manejar. La salida del OTA controlado exponencialmente, IC6, se alimenta a través de un segundo atenuador R25/R26, a la entrada del OTA controlado linealmente, IC7. La salida de IC7 es amortiguada por el seguidor de tensión IC8 y se proporcionan dos salidas del VCA, una salida cableada internamente, IOS, y una salida a una toma de panel frontal, EOS. Los potenciómetros P7 y P8 sirven para ajustar las tensiones de offset de IC6 e IC7.

Construcción

Los comentarios con respecto a la calidad de los componentes que se han hecho en artículos anteriores se aplican igualmente a la construcción del VCA, y no se repetirán. En la figura 6 se muestra la placa de circuito impreso y la disposición de los componentes del VCA, y en la figura 7 se muestra la disposición del panel frontal.

 Fig.6 Fig. 7

 

Pruebas y ajustes

Para un rendimiento óptimo, el VCA debe ajustarse a un modelador de envolvente en particular y, a partir de ahí, el VCA y el modelador de envolvente deben utilizarse como un par. Esto no es necesario en el caso del VCF, que puede utilizarse con cualquier conformador de envolvente.

Para probar y ajustar el VCA, el teclado y el receptor de interfaz deben estar disponibles, junto con los VCO, el VCF y el formador de envolvente con el que se va a emparejar el VCA. La salida IOS del VCO se conecta a una de las entradas VCO del VCF, y la salida IOS del VCF se conecta a la entrada IS del VCA. La salida GATE del receptor de interfaz se conecta a la entrada GATE del conformador de envolvente y la salida ENV del conformador de envolvente se conecta a la entrada ENV del VCA.

Para la prueba inicial, se selecciona la salida en diente de sierra del VCO y el nivel de salida se ajusta al máximo. El VCF se ajusta al modo de paso bajo, pero la frecuencia de rotación se ajusta al máximo girando el control de octavas completamente en el sentido de las agujas del reloj. El control Q se ajusta al mínimo, la entrada KOV se desactiva y el nivel de salida se ajusta al máximo.

  • En la salida IOS del VCF, la señal de diente de sierra del VCO debería estar disponible en fase y con la misma amplitud que la salida del VCO (unos 2,5 V p-p).
  • A la salida del IC4 del VCA, la señal debería estar disponible al mismo nivel, pero invertida.
  • Con S1 del VCA en posición ‘a’ (entrada ENV desconectada) y P7 y P8 en posición media, la señal de diente de sierra debe estar disponible a la salida de IC6 en fase con la salida del VCO, y la amplitud debe ser ajustable por P1.
  • A la salida de IC7 la señal de diente de sierra debe estar de nuevo en fase, y tanto P1 como P3 deben variar la amplitud.
  • Finalmente, la señal debe estar disponible en las salidas IOS y EOS. Esto concluye la comprobación básica del funcionamiento del VCA, y ahora se puede llevar a cabo el procedimiento de ajuste.

Indicador de modulación

Utilizando la misma señal de entrada, se ajusta P6 hasta que el indicador de modulación DS comience a brillar. Aumente la amplitud de la señal conectando el segundo y el tercer VCO, cuando el indicador LED debe brillar más. Después de esta prueba, el segundo y tercer VCO deben ser apagados de nuevo.

Ajuste del offset

Ponga a cero el nivel de salida del VCF y cortocircuite a masa la entrada IS del VCA. Ponga S1 del modulador de envolvente en ‘AD’ y los controles A, D, S y R al mínimo (ataque y decaimiento más cortos, y 0% de sustain). Gire PS del VCA completamente en sentido antihorario, ponga S1 del VCA en la posición ‘b’ (ENV) y observe la tensión de salida de CC de IC6 en un osciloscopio.

Cuando se pulsa una tecla, se observa una tensión de salida escalonada en la salida de IC6. Esta es la tensión de offset del circuito integrado, que se amplifica a medida que la ganancia de IC6 aumenta bajo la influencia de la tensión de control de la envolvente; si no se anula, llegará a la salida en forma de «crujidos» o «plops». P7 se ajusta hasta que la tensión de paso sea lo más pequeña posible en el rango más sensible del osciloscopio. El procedimiento de anulación de offset debe repetirse para IC7. S1 se coloca en la posición «off», P3 se gira completamente en sentido antihorario y la salida externa del formador de envolvente se conecta a la entrada AM del VCA. La salida IOS del VCA se monitoriza en el osciloscopio y se repite el procedimiento de anulación del offset, esta vez utilizando P8.

Ajuste del control de ganancia exponencial

El convertidor exponencial debe ajustarse de modo que el rango de control de ganancia requerido de IC6 se obtenga del rango de +0,5 V a +5 V del formador de envolvente. S1 del formador de envolvente se ajusta» a la posición ‘AD’ y se seleccionan tiempos de ataque y decaimiento bastante cortos. El cortocircuito a través de la entrada VCA se elimina, el control de nivel VCF se pone al máximo y se introduce una señal desde uno de los VCOs. La salida de IC6 se monitoriza ahora con un osciloscopio y se pulsa repetidamente una tecla, cuando deberían verse las curvas envolventes AD. La sensibilidad Y del osciloscopio se ajusta ahora para que se pueda ver toda la curva envolvente cuando se pulsa una tecla. P2 debe ajustarse hasta que se obtenga una buena curva de ataque/declive sin límites (vista como una cima plana o meseta, como se muestra en la figura 3d). Dado que P1 y P2 interactúan hasta cierto punto, puede ser necesario repetir el procedimiento de ajuste varias veces para obtener los mejores resultados.

 

Ajuste de la ganancia global.

La ganancia total del VCA debe ser 0 dB (unidad) a la modulación máxima de IC6 e IC7. Para conseguirlo, puede que sea necesario modificar el valor de R29, que nominalmente es de 15 k. Ajuste el control de ganancia P3 al máximo y el modelador de envolvente en el modo «ADSR» con un sustain del 00%. Pulse y mantenga pulsada una tecla y compare el nivel de salida del VCA (en IOS o EOS) con el nivel de entrada en IS. Estos niveles deben ser iguales; si el nivel de salida es demasiado bajo, deberá aumentar el valor de R29, y si el nivel de salida es demasiado alto, deberá reducir R29. Una diferencia de 3 dB (x 0,707 o x 1,414) entre los niveles de entrada y salida es aceptable, lo que completa el ajuste del VCA.

Utilización del VCA

El nivel de la señal de entrada a la entrada interna del VCA se controla mediante el potenciómetro de salida del VCF. En condiciones normales de uso, este control debe ajustarse de modo que el LED comience a brillar, lo que ocurre a un nivel nominal de 2,5 Vpp con una señal de entrada de VCO, menos si hay más de un VCO conectado. Si el LED brilla intensamente, el VCA está siendo sobremodulado y puede producirse distorsión. Esto no quiere decir que nunca deba permitirse que esto ocurra, ya que la introducción deliberada de distorsión puede utilizarse para producir efectos «fuzz». Si el LED no se ilumina, esto indica una submodulación y la posibilidad de una mala relación señal/ruido.

Trémolo

Para producir efectos de trémolo puede introducirse una señal osciladora de baja frecuencia (LFO) en la toma de entrada AM. Los LFOs, descritos más adelante en la serie, tienen una oscilación de tensión de salida de ± 2,5 V, y si el potenciómetro GAIN P3 está ajustado en su posición media, esto dará una profundidad de modulación del 100%. La reducción de la señal de entrada del LFO mediante el potenciómetro AM P4 permite variar la profundidad de modulación hasta el 0%.

Pedal de expresión

También puede conectarse un pedal de expresión a la entrada AM. Puede ser un pedal equipado con un potenciómetro logarítmico y una pila, cuya salida puede variar de cero a unos +5 V con el pedal totalmente presionado.

Sintonización

El conmutador ENV /OFF S1 es particularmente útil cuando se sintoniza el sintetizador, ya que permite que las señales pasen continuamente a través del VCA, sin verse afectadas por el modelador de envolvente cuando está en la posición OFF.

Salidas

La salida externa del VCA tiene una impedancia de unos 500 ohmios, y esta salida se puede alimentar a otros equipos como pletinas y amplificadores externos, o a auriculares de alta impedancia para monitorización. La señal de salida interna (IOS) se lleva al módulo amplificador, que se describirá más adelante en esta serie. Está equipado con controles de tono y volumen y un pequeño amplificador de potencia para monitorización. Puede alimentar auriculares y altavoces de baja impedancia, así como unidades de reverberación de línea de muelle u otros equipos externos.

 

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